一种新的无位置传感器BLDC控制方法
(b) DC-link பைடு நூலகம்urrent waveform when a voltage vector applied
Fig.2. The inductance measurement method of the stator winding by applying one voltage vector during a sampling time(Ts)
A New Starting Method of BLDC Motors without Position Sensor
Wook-Jin Lee and Seung-Ki Sul
School of Electrical Engineering and Computer Science Seoul National University Seoul, Korea
Keywords-BLDC motor; HDD; sensorless; starting; saturation
I. INTRODUCTION
Recently sensorless operation of brushless dc(BLDC) motor using the back-EMF information, such as back-EMF zero crossing, is widely used and adequate for small or lowcost application such as Hard Disk Drive(HDD). But when the motor is at standstill or at low speed, it is impossible or very difficult to get the position information from back-EMF. Therefore, a special starting method is generally needed [1]. In HDD the power supply voltage is getting reduced, and the detection of rotor position from back-EMF is getting difficult at the low speed. Furthermore, recently HDD is widely spread into the mobile applications such as portable PC and PDA. So, the stable starting and acceleration to nominal operating speed regardless of severe mechanical shock is utmost concern in these applications.
IAS 2004
2397
0-7803-8486-5/04/$20.00 © 2004 IEEE
(a) Equivalent circuit of the motor when the V1 voltage vector applied
(a) Measured DC-link current samples
Initial rotor position estimation is important not only for the stable starting but also for the maximum starting torque to reduce start-up time of HDD. One popular method to estimate the initial rotor position at standstill is utilization of the saturation effect of stator iron core due to the permanent magnet [1-5]. A stator inductance varies with the rotor position due to the saturation caused by rotor magnet, so does the rate of change of the current in the stator winding when a constant voltage is applied to the windings. By the measurement of the
II. PROPOSED INITIAL ROTOR POSITION ESTIMATION METHOD
A. Inductance variation due to the magnetic saturation The estimation of the rotor position is based on the
As the starting method from standstill to a certain low speed, various methods which inject extra voltage pulses periodically to measure the stator inductance varying with the rotor position were proposed. [4, 5] However, these may not be acceptable in HDD because of their complexity. As a simple and conventional method to rotate the motor at standstill, a predetermined voltage waveform had been applied. Then the rotor might rotate synchronously with the applied voltage [1, 6]. In this method, the electrical and mechanical parameters such as the torque constant, the friction coefficient, and the inertia of the rotor should be considered for the stable starting performance. Some unexpected disturbance or load torque during starting procedure may cause serious start failures [1].
wjlee@eepel.snu.ac.kr and sulsk@plaza.snu.ac.kr
Abstract— This paper presents a novel method to detect the rotor position of the BrushLess DC(BLDC) motor of a Hard Disk Drive(HDD) at standstill and a start-up method to accelerate the rotor up to a certain speed where the conventional position sensorless control methods based on the back EMF could work reasonably. The proposed initial rotor position estimation method is suitable to avoid the temporary reverse rotation or the starting failure of HDD. The principle of the estimation is based on the variation of the current response caused by the magnetic saturation of the stator core of BLDC motor when the current flows along the magnetic axis. This method can be implemented using only one current sensor at DC link of the inverter, that is prerequisite for HDD drive. It does not depend on the model of the motor, and it is robust to motor parameter variations. By the proposed method, it is demonstrated experimentally that a stable starting can be achieved even with severe mechanical disturbance.
Fig.1. Location of eight possible stationary voltage vectors for a VSI in the d-q plane according to the switching function (Sa, Sb, Sc)
rate of the change of current in the stator winding due to the change of inductance, it is possible to estimate the relative position between a rotor magnet and a stator winding. The inductance of the stator winding has its minimum value where the North pole of the rotor magnet lies in the corresponding stator winding axis in the case of the spindle motor of the HDD. Several directions of voltage vectors can be applied to the stator winding of the motor to identify the rotor position, and the direction that has minimum inductance can be decided as the d-axis direction [2]. Using a single current sensor in DC link of the inverter, with conventional method 60 degrees of resolution in the estimation of rotor position is possible at best, because the available voltage vectors with PWM inverter are restricted to the basic six nonzero voltage vectors. In Fig.1, the available voltage vectors with a 3-phase voltage source inverter are represented.
BLDC无位置传感器控制技术
BLDC无位置传感器控制技术2014.11.12duguqiubai1234@BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机。
其转子采用永磁材料励磁，体积小、重量轻、结构简单、维护方便。
BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列优点，已广泛应用于仪表和家用电器等领域。
本文主要讨论高压BLDC风机无位置传感器起动和运行技术。
一、无位置传感器技术简介BLDC电机最简单的控制方法是安装三个位置传感器，使用六步换相法控制。
但传感器器会增大电机的体积和成本，另外传感器的位置精度影响电机的运行；特别对于极对数较多的电机，传感器偏差少许机械角度也可能引起电角度偏差很多。
在某些恶劣环境下,如高温、潮湿、腐蚀性气体等环境，传感器易损坏，因而无法使用。
使用无位置传感器方式则可以克服上述缺点。
无传感器BLDC在性能上也存在一些不足:（1）难以实现重负载（例如额定转矩）起动。
好在风机属于轻负载起动的情况。
（2）难以快速起动。
例如很难实现1秒内从静止加速到全速。
好在风机通常不要求很短时间内完成加速。
（3）无法实现全速范围内任意调速。
有传感器BLDC能够实现0%～100%额定转速范围内的调速，而无传感器BLDC通常只能实现10%～100%额定转速范围内的调速。
好在风机通常不要求10%额定转速以下运行。
经过以上分析，可以看出风机非常适合使用无位置传感器方式控制。
国内高压无位置传感器BLDC技术仍处于不成熟阶段。
使用该技术的产品应以稳定可靠为主要要求，而不是以性能优越为主要要求。
高压无传感器BLDC如果追求性能优越，则成本太高，技术难度过大。
风机类产品通常起动后连续工作时间较长，所以通常不要求快速起动，不也要求反复起停。
风机类产品10%以下额定转速将造成风量过小，所以通常也不会要求10%额定转速以下运行。
无传感器BLDC起动时需要锁定转子、外同步加速（开环加速）等过程，所以起动较慢；起动过快易造成失败，所以通常不宜要求无传感器BLDC做快速起动。
BLDC电机控制算法——FOC简述
BLDC电机控制算法——FOC简述FOC（Field-Oriented Control）是一种用于控制无刷直流电机（BLDC）的算法。
它通过将电机的控制分为两个独立的轴，即磁场轴和转子轴，来实现对电机的精确控制。
相比传统的BLDC电机控制方法，FOC算法具有更高的效率和精度。
FOC算法的核心思想是将电机转子轴上的电流分解为两个独立的分量，即直流分量和交流分量。
直流分量用于控制电机的转矩，而交流分量用于控制电机的速度。
通过这种方式，FOC算法能够更好地控制电机的动态响应和转矩输出。
FOC算法主要由三个步骤组成：磁场定向、电流控制和速度控制。
首先是磁场定向。
磁场定向的目标是将电机的磁场与转子轴对准，以便更好地控制电机的转矩输出。
这一步骤通常通过使用位置传感器或者观测器来获取电机的转子位置，然后根据转子位置来调整电机的电流分量。
通过磁场定向，电机可以在任意位置上产生所需的转矩。
接下来是电流控制。
电流控制的目标是对电机的电流进行精确控制，以实现所需的转矩输出。
在FOC算法中，电流控制通常使用PID控制器来调整电机的电流，以使其与期望值相匹配。
通过电流控制，电机可以实现高精度的转矩输出，并且能够适应负载的变化。
最后是速度控制。
速度控制的目标是对电机的转速进行控制，以实现所需的转速输出。
在FOC算法中，速度控制通常使用PID控制器来调整电机的电流分量，以使其与期望值相匹配。
通过速度控制，电机可以实现高精度的转速输出，并且能够适应负载的变化。
FOC算法的优点在于其高效性和精度。
相比传统的BLDC电机控制方法，FOC算法能够更好地控制电机的动态响应和转矩输出。
它能够实现高精度的转矩和转速控制，并且能够适应负载的变化。
此外，FOC算法还可以提高电机的效率，减少能源消耗。
然而，FOC算法也存在一些挑战。
首先，FOC算法需要准确的电机参数和转子位置信息，这对于一些应用来说可能是困难的。
其次，FOC算法的实时性要求较高，需要较快的计算和响应能力。
无刷直流BLDC电机的无传感器梯形控制
图片列表
1 具有一个永磁对极转子的三相同步电机................................................................................... 3 2 针对一个 BLDC 电机的速度和电流控制环路配置 ....................................................................... 5 3 两相打开运行和转矩纹波内的电气波形................................................................................... 6 4 正弦波电机内的转矩纹波被控制为一个 BLDC........................................................................... 6 5 三相反相器 ................................................................................................................... 6 6 依据 PWM 占空比的分流电阻器压降（软斩波）........................................................................ 7 7 HDMC 套件上的反电动势感测............................................................................................. 8 8 定子端子电气模型 ........................................................................................................... 9 9 典型电流和反电动势波形正弦波 BLDC 电机驱动 ....................................................................... 9 10 一个 3 相 BLDC 驱动实现 ................................................................................................ 13 11 BLDC 电机霍尔传感器控制的总体方框图 .............................................................................. 13 12 软件流 ....................................................................................................................... 14 13 使用交流电源生成直流总线电源 ......................................................................................... 16 14 使用外部直流电源为反相器生成直流总线 .............................................................................. 17 15 PWM 输出：PWM 1（黄色），PWM 2（粉色）和 PWM 5（绿色），PWM 6（蓝色）........................ 20 16 1 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 21
无位置传感器BLDCM能量回馈控制新方法
关键词 ： 无刷直流 电动机 电机 ； 无位 置传感器控制 ； 电 等
势点 ； 形状 函数 ； 能量 回馈 ； 可充电蓄电池 中图分 类号 ： Ｍ３ Ｔ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号 ：０４—７ １ （０６ ０ ０３ ０ １０ ０ ８ ２ ０ ）２— ０ ０— ４
Ｘ／ Ｂａｏ— ｃ ａ ｇ Ｅ —ｈ ｎ
（ ｈ ｎ ｈ ｉ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒ ｔ，ｈ ｎｈ ｉ ０ ０ ０ Ｃ ｉ ） Ｓ ａ ｇ ａ Ｊ ｏｏ ｎｖ ｓ ｙ Ｓ ａ ｇａ ２ ０ ３ ， ｈｎ ａ ｎ ｅｉ ａ
摘 要 ： 了简化无 刷直流 电动机结 构 、 为 减小成 本和 提
置传感器能量回馈控制方 法。该方 法首先设 汁二 阶阻 容滤
波 电路和数 字滤波器 检测 相绕组 端点 电压 和绕组 电流 ， 然 后根据电机数学模 型计算 出无 三倍 次谐 波的反电势 信号 ， 从 而估算电机转速 、 判断转 向和等 电势点 ， 确定 正确换 相时 刻 和逻辑 ， 实现无位置传感器控制 。最后根据 电机 的可逆原 理 提出了一种简单 可靠 的高 、 蓄 电池实现能量 馈 的不 可 低
谢 宝昌
（ 上海交通 人学 ， 海 ２０ ３ ） 上 ０ ００
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使用反电动势滤波进行无传感器 BLDC 控制
带传感器的控制具有如下缺点：
• 传感器价格昂贵。除了需要购买传感器外，还需要 在制造期间将传感器安装在电机上，这就增加了安 装和接线费用。
• 传感器给电机添加了潜在的故障因素。如果传感器 发生故障，则电机也无法继续工作。
• 在某些环境下，使用传感器不符合实际需要。例 如，在电机处在浸没的环境中 （如压缩机或泵）， 传感器可能首先会发生故障。
分）
图 1：
பைடு நூலகம்
PICDEM™ MC LV 开发板
图 2：
带附加功率模块的 dsPICDEM™ MC1 开发板
2007 Microchip Technology Inc.
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AN1083
BLDC 电机结构
该算法已在下列电机上经过测试：
• 4 极、 12V、 10A 风扇电机，最高转速为 29,000 RPM • 14 极、 12V 航空发动机模型，最高转速为 13,000 RPM • 4 极、24V、1A Hurst BLDC 电机模型 DMB0224C10002
使用这些术语来说明电机速度比机械 RPM 要容易的多， 因为在涉及到电气 RPM 时，不用考虑电机极数这个因 素。机械 RPM 和电气 RPM 之间的关系可用以下公式来 表示：
公式 1：
机械 / 电气 RPM 关系
RPMMech =
(2 * RPMElec) ( 电机极数 )
RPMElec =
(RPMMech * 电机极数 ) 2
A相
B相
C相
注：
使用 dsPIC30F6010A 对运行的 BLDC 电机引线上的信号进行采样以捕获到这些波形。使用 MPLAB® IDE 的数据监控界面（Data Monitor and Control Interface， DMCI）工具可显示这些采样。本文档的 “实现 算法”部分对 DMCI 工具做了更加详尽的讨论。
用择多函数实现反电动势滤波的无传感器BLDC 控制
然后，将重构的电机中性点与每一个 BEMF 信号进行比 较以判断是否发生过零事件。当 BEMF 信号电压等于电
AN1160
用择多函数实现反电动势滤波的无传感器 BLDC 控制
作者： Daniel Torres Microchip Technology Inc.
引言
本应用笔记介绍一种用dsPIC®数字信号控制器（DSC） 来实现无刷直流 （Brushless Direct Current， BLDC） 电 机无 传 感 器 控制 的 算 法。该 算法 利 用 对 反电 动 势 （Back-Electromotive Force， BEMF）进行数字滤波的 择多函数来实现。通过对电机的每一相进行滤波来确定 电机驱动电压换相的时刻。这一控制技术省却了分立的 低通滤波硬件和片外比较器。需指出，这里论述的所有 内容及应用软件，都是假定须使用三相电机。该电机控 制算法包括六个主要部分：
图 4：
BEMF 电压与虚拟中性点进行比较
A
反电动势
C
DC-
B
+
_ 虚拟中性点
至 IC2
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2008 Microchip Technology Inc.
AN1160
该应用笔记中使用的方法是基于简单的原理。然而，中 性点电压是通过软件重构的，其值等于三相 BEMF 信号 的平均值。因此，过零阈值的表达式如公式 5 所示。
由于电励磁必须与转子位置同步，因此 BLDC 电机在运 行时，通常需要一个或多个转子位置传感器。由于成 本、可靠性、机械包装的原因，特别是当转子在液体中 运行时，电机适宜在无位置传感器的条件下运行，即通 常所说的无传感器运行。
通过检测不通电相绕组上的反电动势电压可以确定电机 驱动电压的换相时间。由于省却了霍尔位置传感器，因 此无传感器控制具有明显的成本优势。然而，无传感器 控制也有一些缺点：
bldc六步控制原理
bldc六步控制原理BLDC六步控制原理BLDC（Brushless DC）电机是一种无刷直流电机，它由电机本体和电子控制系统组成。
BLDC电机具有高效率、高转矩密度和长寿命等优点，广泛应用于家电、工业设备和电动交通工具等领域。
而BLDC 六步控制原理是指通过对电机的六个电流阀门进行控制，实现电机的正常运转。
BLDC电机的控制主要通过电子控制系统来实现。
电子控制系统由电源、电流传感器、位置传感器和控制器等组成。
其中，电流传感器用于感知电机的电流情况，位置传感器用于感知电机转子的位置，控制器根据电流和位置的反馈信息进行控制操作。
BLDC电机的六步控制原理是基于电流和位置的反馈信息来控制电机的正常运转。
具体步骤如下：第一步，根据位置传感器的反馈信息确定电机的初始位置，并确定电流阀门的状态。
根据电流阀门的状态，控制器将电流导通至特定的线圈，使得电机在特定位置具有力矩。
第二步，电机开始旋转，位置传感器不断反馈电机的位置信息。
根据位置信息，控制器判断电机是否需要切换至下一个状态。
如果需要切换，则关闭当前状态的电流阀门，打开下一个状态的电流阀门。
第三步，电机继续旋转，位置传感器持续反馈电机的位置信息。
控制器根据位置信息判断是否需要切换状态，如果需要则进行状态切换。
第四步，电机仍然旋转，位置传感器继续反馈电机的位置信息。
控制器根据位置信息判断是否需要切换状态，如果需要则进行状态切换。
第五步，电机持续旋转，位置传感器持续反馈电机的位置信息。
控制器根据位置信息判断是否需要切换状态，如果需要则进行状态切换。
第六步，电机继续旋转，位置传感器持续反馈电机的位置信息。
控制器根据位置信息判断是否需要切换状态，如果需要则进行状态切换。
通过以上六个步骤的循环运行，BLDC电机可以实现稳定、高效的运转。
通过电流阀门的控制，可以使电机在不同位置产生不同的力矩，从而实现电机的正常工作。
BLDC六步控制原理的核心是通过不断地切换电流阀门的状态，使电机在不同位置产生适当的力矩。
使用反电动势滤波进行无传感器BLDC 控制
本应用笔记中描述的算法可在以下两个 Microchip 开发 板平台上实现：
RPSElec =
RPMElec 60
要保持定子中的磁场超前于转子磁场，那么一区间到另 一区间的转变必须发生在转子处于特定位置的时刻，从 而获得最佳转矩。下一部分将讨论在带传感器的 BLDC 控制应用中如何确定转子位置。
2007 Microchip Technology Inc.
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带传感器的控制具有如下缺点：
• 传感器价格昂贵。除了需要购买传感器外，还需要 在制造期间将传感器安装在电机上，这就增加了安 装和接线费用。
• 传感器给电机添加了潜在的故障因素。如果传感器 发生故障，则电机也无法继续工作。
• 在某些环境下，使用传感器不符合实际需要。例 如，在电机处在浸没的环境中 （如压缩机或泵）， 传感器可能首先会发生故障。
存在耦合的 PWM 噪声时很难检测到过零事件。 例如， 如果单片机需要识别在某一相的未驱动区间内反电动势 信号首次穿过 0V 阈值的事件，由于 PWM 噪声导致信 号过早穿过 0V 阈值，从而使得单片机不能在该区间的 30° 电角度位置检测到过零事件。在图 9 中，显而易见， 反电动势信号在 30° 电角度标记已过零两次。
相。 因此，给出一个可精确识别过零事件的算法，从而 可估算转子位置，使电机绕组在正确的时间进行换相。
理想状态下，未驱动区间的反电动势信号是一条直线。 实际情况下，反电动势信号耦合有来自驱动区间的噪 声。使用 PWM 信号来改变电压，从而改变电机转速。 由于电机绕组位置十分接近，一个绕组的 PWM 驱动信 号可耦合到另一个绕组的反电动势信号上。
一种无位置传感器BLDC 零启动的纯硬件实现方法
University
Hα ngzhou
310027 , China)
Abstract: On the base of existing motors and controllers , products upgrading with low risk and low cost was considered. Based on the principle of back electromotive force zero-crossing testing in sensorless brushless direct current (DC) motor , the relationship between the floating phase terminal end voltage and midpoint voltage in DC link of three phases' back electromotive force was analyzed. A method for zero start-up of sensorless brushless direct current (BLDC) motor which can totally replace three position sen sors was proposed. The proposed method improves the original sensorless control strategies which have disadvantages of time complexity , high cost being unstable , and 30 software time delay. Theoretical analy
BLDC无刷直流电机控制算法
BLDC无刷直流电机控制算法BLDC（Brushless DC）无刷直流电机是一种高效、可靠且低噪音的电机，广泛应用于各种领域，如工业自动化、电动车辆和家用电器等。
BLDC 电机的控制算法是保证其正常运行和实现各种运动控制的关键。
BLDC无刷直流电机的控制算法主要分为传统控制算法和现代控制算法两大类。
传统控制算法包括电流控制、速度控制和位置控制等，常用的算法有PWM控制、电流环反馈控制和PID控制等。
现代控制算法包括矢量控制、模型预测控制和自适应控制等，常用的算法有FOC（Field Oriented Control）控制和SLDC（Sliding Mode Variable Structure Control）控制等。
首先介绍传统控制算法中的PWM控制算法。
PWM（Pulse Width Modulation）控制是一种通过改变电机输入的电压和电流的方式来控制电机转速的方法。
PWM控制算法通过控制器将输入的电压和电流通过开关器件的开关时间和开关频率进行调节，从而控制电机的输出转矩和转速。
该算法简单、可靠，并且适用于各种控制需求。
其次介绍传统控制算法中的电流环反馈控制算法。
电流环反馈控制是通过测量电机的相电流来实时调整开关器件的开关时间和开关频率，从而实现对电机转矩的精确控制。
该算法可以实现高精度的电机控制，但是由于需要实时测量电流，所以需要配备性能较高的传感器。
再次介绍传统控制算法中的PID控制算法。
PID（Proportional-Integral-Derivative）控制是一种比例、积分和微分控制的组合方式，通过计算误差的比例、积分和微分，并加以调整，来实现电机的转速和转矩控制。
PID控制算法是一种经典的控制算法，具有简单、稳定和易于调节的特点。
现代控制算法中的FOC控制是一种通过转子磁链定向和转差矢量控制方式来实现BLDC无刷直流电机控制的算法。
FOC控制算法通过测量和估算电机的电流和转子位置，将电机的输入电压和电流进行空间分量的分解，使得电机的电磁转矩和机械转矩得到分离，从而实现对电机的精确控制。