無刷直流電動(dòng)機(jī)（bldcm）以電子換相器取代了常規(guī)的機(jī)械換相器，依靠位置信號(hào)來控制電子換相器。位置信號(hào)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作起著非常重要的作用，直接影響電機(jī)能否正常換相，能否達(dá)到最大出力。 　　 目前檢測永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測元件多種多樣[1][2][3]，包括電磁式、光電式、磁敏式、接近開關(guān)式等,其中最常用的有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁性編碼器、霍爾元件等[4][5]。但是不管哪種位置傳感器，都存在一些弊病。首先是位置傳感器難于安裝于在有限的電機(jī)內(nèi)部空間里，且維修困難;其次安裝位置傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和成本;同時(shí)增加了轉(zhuǎn)軸的慣量;系統(tǒng)的連線增加，降低了系統(tǒng)的抗干擾能力;在某些高溫、振動(dòng)或者強(qiáng)腐蝕性環(huán)境，位置傳感器會(huì)降低系統(tǒng)可靠性或根本無法安裝。 [align=center] 圖1 反電勢過零點(diǎn)與換相時(shí)刻圖[/align] 無位置傳感器方式不直接檢測轉(zhuǎn)子位置，而是通過對(duì)電機(jī)的磁鏈、電流和電壓等物理量，進(jìn)行相應(yīng)的處理間接地獲得轉(zhuǎn)子位置。bldcm的無位置傳感器控制技術(shù)迅速興起，成為今后bldcm控制的發(fā)展趨勢,尤其在小型、輕載起動(dòng)條件下，無位置傳感器無刷直流電機(jī)成為理想選擇并具有廣闊的發(fā)展前景。 　　 bldcm的無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)在于轉(zhuǎn)子位置信息的獲得及估計(jì)方法，近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)介紹的無位置檢測方法主要包括反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法、反電動(dòng)勢三次諧波積分檢測法、續(xù)流二極管監(jiān)測法、反電動(dòng)勢積分法、磁鏈估計(jì)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法、電感測量法、電流法、渦流效應(yīng)檢測法等[6][7][8][9]。 　　 本文針對(duì)使用反電勢過零點(diǎn)檢測轉(zhuǎn)子位置的無傳感器bldcm系統(tǒng)，討論了其換相策略、起動(dòng)控制方案，并進(jìn)行了仿真研究。 反電勢過零點(diǎn)法檢測轉(zhuǎn)子位置 　　 bldcm一般采用集中式定子繞組，以獲得良好的梯形波反電勢。 　　 該反電勢在一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)過零點(diǎn)，且每個(gè)過零點(diǎn)都超前下個(gè)換相點(diǎn)30°電角度。只要能檢測到反電勢的過零點(diǎn)就可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和下次換相的時(shí)間。這就是反電勢過零點(diǎn)檢測法的基本原理，可知檢測開路相（如圖2所示u相）的反電動(dòng)勢就可以獲得合適的定子繞組換相時(shí)刻。 [align=center] 圖2 端電壓反電勢過零點(diǎn)檢測示意圖[/align] 但是定子繞組的反電勢難以直接檢測，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用變通形式檢測反電勢過零點(diǎn)。利用“相電壓法”和“端電壓法”即通過測量相電壓或端電壓間接的獲得反電勢的過零點(diǎn)信息。 圖2中，定子繞組v相和w相饋電，u相為開路相，其相電壓vun等于u相的反電勢eu，因此只要檢測出u相的相電壓過零點(diǎn)就可得到u相反電勢的過零點(diǎn)，這就是所謂的“相電壓法”。但測量相電壓要求電機(jī)引出中心線，實(shí)用中頗受限制[10]。 　　 假設(shè)定子三相繞組的阻抗都相等，即:zu=zv=zw=z （1） 　　 則中心點(diǎn)n的電勢為: 因此只要測量到vx-vs/2的過零時(shí)刻，即可間接的得到eu的過零時(shí)刻。這就是“端電壓法”。類似地可以得到eu的另一個(gè)過零點(diǎn)及ev和ew的所有過零點(diǎn)。 　　 “端電壓法”需要電機(jī)引出中心線，簡單、靈活，然而電機(jī)端電壓信號(hào)中不僅包含電機(jī)反電勢信號(hào)，而且含有斬波信號(hào)，斬波信號(hào)會(huì)嚴(yán)重干擾反電勢波形，使得過零點(diǎn)不明確，因此必須選擇合適的低通濾波器進(jìn)行濾波。實(shí)際的位置檢測信號(hào)是經(jīng)過阻容濾波后得到的，其過零點(diǎn)必然會(huì)產(chǎn)生相移，使位置檢測不準(zhǔn)確，應(yīng)用中還必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔恍拚? 　　 反電勢過零點(diǎn)檢測法在電機(jī)靜止或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，一般用于10%額定轉(zhuǎn)速以上，低于此轉(zhuǎn)速時(shí)，需采用其他檢測措施[11]。 　　 本文中采用“端電壓法”獲得反電勢過零點(diǎn)。 無位置傳感器的換相策略 　　 無位置傳感器的bldcm控制，轉(zhuǎn)子位置采用反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測法。因此，在電機(jī)換相控制時(shí)，就要根據(jù)反電勢過零點(diǎn)的信息確定電機(jī)的換相時(shí)刻[11]。 通過圖1可知，反電動(dòng)勢過零點(diǎn)延時(shí)30°電角度即為換相時(shí)刻。然而，一般檢測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)采用“端電壓法”，在檢測端電壓時(shí)為了抑制干擾信號(hào)對(duì)過零點(diǎn)的影響，通常采用無源濾波器對(duì)端電壓進(jìn)行濾波，但由于濾波之后的信號(hào)比實(shí)際的端電壓信號(hào)滯后了90°電角度。這樣，檢測到的過零點(diǎn)信號(hào)剛好可以作為電機(jī)的換相信號(hào)。這種方法比較簡單，但換相時(shí)刻的確定受轉(zhuǎn)速的影響較大，只有在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)才能使過零點(diǎn)延時(shí)準(zhǔn)確，超過范圍將導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電機(jī)失步。所以使用時(shí)需要通過復(fù)雜的補(bǔ)償手段。 　　 如果采用軟件的方式端電壓的抗干擾，換相時(shí)刻的確定可以直接檢測到過零點(diǎn)延時(shí)30°（即t/12）。具體控制方法是:利用控制器的定時(shí)器對(duì)兩次反電勢過零點(diǎn)之間的間隔（即60°t/6）進(jìn)行計(jì)時(shí)，從而計(jì)算逆變周期。這種方法在加速和減速過程中需要進(jìn)行軟件補(bǔ)償，才能得到最佳換相時(shí)刻。 無位置傳感器的預(yù)定位式起動(dòng) 　　 無刷直流電機(jī)在靜止或轉(zhuǎn)速很低的情況下，反電動(dòng)勢為零或很小，無法被用來判斷轉(zhuǎn)子的位置，因此采用反電動(dòng)勢法控制的電機(jī)需要采用特殊的起動(dòng)技術(shù)。 　　 以往多采用“三段式”起動(dòng)，即經(jīng)歷預(yù)定位、升速和運(yùn)行狀態(tài)切換三個(gè)階段。先進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置的確定，再逐漸減小逆變器功率管各觸發(fā)狀態(tài)的保持時(shí)間，并不斷提高外加電壓，使電機(jī)按照預(yù)定的優(yōu)化加速曲線加速，之后再切換到自控狀態(tài)。 這種方法要求: 　　 根據(jù)檢測到的反電動(dòng)勢所確定的功率管觸發(fā)信號(hào)的時(shí)序必須與已確定的邏輯導(dǎo)通時(shí)序相對(duì)應(yīng)，保證位置檢測信號(hào)可靠，準(zhǔn)確反映出轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置; 　　 切換條件設(shè)計(jì)合理，使電機(jī)及早切換至自同步運(yùn)行狀態(tài)。這種方式的不足之處在于需要優(yōu)化加速曲線，起動(dòng)控制比較繁瑣[12]。 目前多采用預(yù)定位式起動(dòng)，起動(dòng)的具體控制過程如下: 　　 強(qiáng)迫預(yù)定位，即不管轉(zhuǎn)子在什么位置，給電機(jī)一個(gè)確定的通電狀態(tài)，電機(jī)定子合成磁勢在空間上有一確定的方向，只要保證通電的時(shí)間過長就可以把轉(zhuǎn)子磁極拉到與定子合成磁勢軸線重合的位置; 　　 起動(dòng)，按照設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向依次改變逆變器功率管的導(dǎo)通順序，同時(shí)用“端電壓法”檢測開路相的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，并且通過提高電機(jī)pwm的占空比來逐漸提高電機(jī)的外加電壓。 　　 預(yù)定位式起動(dòng)過程中功率管導(dǎo)通的時(shí)間最大值保持不變，設(shè)為t0該時(shí)間以最小起動(dòng)速度確定。采用計(jì)時(shí)器來進(jìn)行計(jì)時(shí)，固定在t0/2時(shí)刻換流，換流后檢測開路相的反電勢過零點(diǎn)。只要檢測到開路相的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，或計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)到，計(jì)數(shù)器復(fù)位重新開始計(jì)時(shí)，到t0/2時(shí)再次換流。依次進(jìn)行換流，如果連續(xù)n次檢測到開路相的反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，就可以切換到自控式狀態(tài)，起動(dòng)過程時(shí)序圖如3所示。 [align=center] 圖4無刷直流動(dòng)機(jī)無位置傳感器仿真系統(tǒng) 圖5反電動(dòng)勢與量化數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[/align] 該控制方法要求連續(xù)n次檢測到開路相的反電勢過零點(diǎn)之后，才從他控方式切換到自控方式，是為了防止干擾等引起的誤檢測并且使電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，以確保起動(dòng)過程順利完成。該方法起動(dòng)可靠性好，控制方法簡單而且無需外加專門的起動(dòng)電路。 該方法在使用時(shí)還應(yīng)注意: 　　 剛開始起動(dòng)時(shí)外加電壓不要太高，否則可能造成轉(zhuǎn)子受力過大轉(zhuǎn)過確定的預(yù)定位置而使過零點(diǎn)難以被檢測到，從而延長起動(dòng)過程，甚至是起動(dòng)失敗; 　　 起動(dòng)過程中要保證外加電壓穩(wěn)步上升，以保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。 無位置傳感器bldcm的仿真 　　 目前，對(duì)bldcm系統(tǒng)的仿真多數(shù)是針對(duì)有位置傳感器的進(jìn)行的。為了便于研究無刷直流動(dòng)機(jī)無位置傳感器的控制策略，本文設(shè)計(jì)了反電動(dòng)勢過零法檢測轉(zhuǎn)子位置的無刷直流電動(dòng)機(jī)仿真研究平臺(tái)。 　　 該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)方法是將每相反電動(dòng)勢進(jìn)行量化為三個(gè)確定的值，分別表示反電勢處于不同的階段，反電動(dòng)勢與量化數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖5所示。三相反電動(dòng)勢量化的六個(gè)編碼對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的六個(gè)位置，用來控制逆變器換流[13]。 [align=center] 圖6 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測模塊[/align] 反電動(dòng)勢檢測模塊如圖6所示。三相反電動(dòng)勢輸入該模塊首先進(jìn)行量化之后將量化之后的值轉(zhuǎn)化為-1、0、1再與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的參考電流信號(hào)一起輸入s函數(shù)，s函數(shù)根據(jù)反電動(dòng)勢的編碼通過設(shè)定三相的參考電流來控制換流，實(shí)現(xiàn)無傳感器控制的功能[14][15]。 　　 由于bldcm起動(dòng)時(shí)反電動(dòng)勢還未建立，不能通過檢測反電動(dòng)來控制電機(jī)的換相。所以本系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)采用有位置傳感器方式控制電機(jī)換相，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)反電動(dòng)勢形成，在切換到無位置傳感器控制方式，目前是通過控制仿真時(shí)間來切換的，還有待進(jìn)一步改善。 　　 本文對(duì)通過反電動(dòng)勢檢測轉(zhuǎn)子位置模型仿真進(jìn)行了仿真，通過檢測反電動(dòng)勢可以控制電機(jī)正確換相，且系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)和調(diào)速響應(yīng)都比較理想。 　　 仿真中bldcm電機(jī)參數(shù)設(shè)置為:定子相繞組電阻r=1ω，定子相繞組自感l(wèi)=0.03h，互感m=-0.0065h，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j=0.007kg.m2，額定轉(zhuǎn)速ne=2500r/min，極對(duì)數(shù)pn=1。系統(tǒng)在 0.2s時(shí)切換到無位置傳感器控制，起動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl=1nm，轉(zhuǎn)速給定為80rad/s，當(dāng)仿真到t=0.5s時(shí)突加轉(zhuǎn)速給定到140rad/s。 　　 a相反電動(dòng)勢、相電流仿真波形如圖7、圖8所示。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形如圖9、圖10所示。通過仿真結(jié)果可知，本文提出的通過檢測反電動(dòng)勢的狀態(tài)確定轉(zhuǎn)子位置，控制電機(jī)換相的模型是可行的。電機(jī)可以跟隨給定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制，為今后進(jìn)一步研究無位置傳感器控制策略提供了仿真模型。不過從響應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線看出，無位置傳感器控制時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)較大，還有待深入研究。 [align=center] 圖7 a相反電勢波形 圖8 a相電流波形 圖9 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線波形[/align] 結(jié)語 　　 本文采用廣泛使用的檢測反電勢過零點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法，討論了這種無傳感器bldcm系統(tǒng)的換相策略、pwm調(diào)制控制方式、起動(dòng)控制方案，并建立了仿真研究平臺(tái)。結(jié)果表明，該平臺(tái)為今后進(jìn)一步研究無位置傳感器控制策略提供方便，在起動(dòng)控制方面還有待進(jìn)一步改善。