反电动势过零点检测法的研究[1]

绕组的相电压大小等于其反电动势，所以采用图３所 示的电路检测时，反电动势的检测方程组为：
烄Ｅａ＝Ｕａ 烅Ｅｂ＝Ｕｂ 。 ………………………………… （１２） 烆Ｅｃ＝Ｕｃ
图 ３ 相 电 压 检 测 电 路
由图３可知，不需要计算电动机的中性点，因为 当采用相电压检测电路检测反电动势时，可以直接检 测到相电压。检测到 反 电 动 势 过 零 点 后， 再 推 迟 ３０° 电角度即为无刷直流电动机的换相点。最后按照一定 顺序切换相应的功率开关完成对电机的控制。 ３ 结 论
反电动势过零点检测方法方便、灵活，且可以减少 硬件上的成本，其作为一种有效的检测转子位置的方法 对无刷直流电机控制系统的发展有着重要的影响［６］。
参考文献： ［１］ 张深．直 流 无 刷 电 机 原 理 及 应 用 ［Ｍ］．北 京：机 械 工 业 出
版 社 ，１９９６． ［２］ 胡 少 轶．无 刷 直 流 电 机 无 位 置 传 感 器 控 制 器 系 统 研 究
每相输出端对地电压为 Ｕｘ（ｘ ＝ ａ，ｂ，ｃ）， 也 就 是 通 常所说的端电压。
图 １ 定 子 端 等 效 电 路 图
由图１可以得到三相端电压方程如下：
Ｕａ＝Ｒｉａ＋Ｌｄｄｉｔａ＋Ｅａ＋Ｕｎ 。 ……………… （１）
Ｕｂ＝Ｒｉｂ＋Ｌｄｄｉｔｂ＋Ｅｂ＋Ｕｎ 。 ……………… （２）
Ｕｃ＝Ｒｉｃ＋Ｌｄｄｉｔｃ＋Ｅｃ＋Ｕｎ 。 ……………… （３）
端电压是指绕组端部至电源负端之间的电压，电 动机的反电动势不便于直接测量，所以用端电压法间 接检测电动机反电动势的过零点。采用三相六状态、 星型绕组连接时，电枢绕组的每一个时刻只有二相导 通，另一相处于断开状态，此时该断开相绕组的相电 压就是反电动势。无刷直流电动机定子端等效电路图 如图１所示。其中，相电感为 Ｌ， 相电阻为 Ｒ， 反电 动势为 Ｅｘ，电 动 机 定 子 绕 组 中 性 点 对 地 电 压 为 Ｕｎ，
ＺＨＡＯ Ｑｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｂａｃｋ－ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ （ＥＭＦ）ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｂａｃｋ－ＥＭＦ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｅｍｉｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ；ｂａｃｋ－ＥＭＦ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｏｌｔａｇｅ；ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ
由于采用的是三相六状态、星型连接，因此在绕
组中每一时刻只有两相导通，剩余的另一相中无电流
流过。假 设 绕 组 在 某 一 时 刻 只 有 ａ、ｂ 两 相 导 通，ｃ
相 则 无 电 流 ， 所 以ｉｃ＝０。 则 式 （３）可 以 改 写 为 ： Ｅｃ＝Ｕｃ－Ｕｎ 。 ……………………………… （４） 由于ｉｃ＝０，ｉａ＋ｉｂ＋ｉｃ＝ ０， 可 以 得 到ｉａ＝ －ｉｂ，
大 连 理 工 大 学 ，２００９：１６－１９． ［６］ 罗隆福，杨艳，方 日 杰．无 刷 直 流 电 动 机 中 有 待 深 入 研 究
的 主 要 问 题 ［Ｊ］．微 电 机 ，２００２，３５（１）：１５－１６．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｂａｃｋ－ＥＭＦ Ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
即ａ、ｂ 两 相 电 流 大 小 相 等， 方 向 相 反，Ｅａ ＝ －Ｅｂ。 将 式 （１）与 式 （２）相 加 可 以 得 到 中 点 电 压 Ｕｎ ：
Ｕｎ＝
１ ２
（Ｕａ
＋Ｕｂ）
。
…
……
…
……
…
……
…
（５）
櫜 山西省教育厅高校科技开发项目 （２０１０１１６） 收 稿 日 期 ：２０１１－１２－１２ 作 者 简 介 ： 赵 奇 （１９８７－ ），男 ，山 西 临 汾 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：先 进 制 造 技 术 。
［Ｄ］．西 安 ：西 安 理 工 大 学 ，２００８：１３－１７． ［３］ 贡俊，陆国林．无刷直流 电 机 在 工 业 中 的 应 用 和 发 展 ［Ｊ］．
微 特 电 机 ，２０００（５）：１５－１９． ［４］ 梅妮，尹华杰．反电势法在无刷 直 流 电 机 位 置 检 测 中 的 应
用 ［Ｊ］．研 究 与 交 流 ，２００６（１）：４４－４８． ［５］ 张漩．ＢＬＤＣＭ 无位置传感 器 控 制 系 统 的 研 究 ［Ｄ］．大 连：
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机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第１期
再 将 式 （５）代 入 式 （４）可 以 得 到ｃ 相 反 电 动 势 过 零 点检测公式：
Ｅｃ＝Ｕｃ－
１ ２
（Ｕａ
＋Ｕｂ）
。
……………………
（６）
同理可以得到ａ 相、ｂ 相 的 反 电 动 势 过 零 点 检 测
Ｅｃ＝Ｕｃ０－
１ ２
（Ｕａ０＋Ｕｂ０）
。
…………………
（９）
Ｅａ
＝Ｕａ０－
１ ２
（Ｕｂ０
＋Ｕｃ０）
。
……………… （１０）
Ｅｂ＝Ｕｂ０－
１ ２
（Ｕａ０＋Ｕｃ０）
。
……………… （１１）
图 ２ 端 电 压 检 测 电 路
２ 相 电 压 法 相电压是指相绕组两端的电压，即绕组端部和中
性点之间的电压。相电压检测电路如图３所示。根据 电路的对称性原理，Ｕ０ 与 图 １ 中 所 标 注 的 Ｕｎ 相 同， 即Ｕ０＝Ｕｎ。所以图３ 中 的 检 测 信 号 实 际 上 反 映 了 相 电压的大小。假设在某一时刻某相绕组断电，则该相
公式：
Ｅａ
＝Ｕａ
－
１ ２
（Ｕｃ＋Ｕｂ）
。
…
…
…
…
…
…
…
…
（７）
Ｅｂ
＝Ｕｂ－
１ ２
（Ｕａ
＋Ｕｃ）
。
……………………
（８）
该无刷直流电动机采 用 的 调 速 控制，所以在实际检测电路中，需要先
将电压分压，随后经过滤波得到检测信号。端电压检
测电路 如 图 ２ 所 示。 其 中，Ｕａ０、Ｕｂ０、Ｕｃ０ 为 检 测 信 号，此时检测 电 路 的 Ｏ 点 与 外 接 电 压 Ｕｓ 负 极 相 连。 因 此 式 （６）、式 （７）、式 （８）转 化 为 ：
传感器检测法和无位置传感器检测法两种，其中位置 传感器检测法主要采用霍尔传感器、电磁式位置传感 器、光电式位置传感器检测转子位置；无位置传感器 的检测方法主要是通过检测电动机中电压值、电流值 等能够测量到的物理量间接地估计转子的位置。目前 位置估计方法主要有磁链观测器法、续流二极管电流 检测法和反电动势检测法等，使用最为广泛的是反电 动势 法 。 ［１，２］ 这 种 方 法 在 无 刷 直 流 电 动 机 正 常 运 行 时，忽略电动机电枢的反应，通过检测关断相反电动 势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而可 以控制绕组电 流 的 切 换， 实 现 电 动 机 的 运 转 。 ［３，４］ 在 反电动势过零检测方法中根据检测电动势过零点方法 的不同可以分为端电压法和相电压法，本文将对这两 种方法进行介绍。 １ 端 电 压 法 ［５］
摘要：主要介绍了无刷直流电动机采用的反电动势过零点检测法。提出了用端电压法、相电压法两种反电动 势过零点检测法检测电机转子位置，并对端电压法和相电压法做了进一步的说明。 关键词：无刷直流电机；电动势过零点检测；端电压；相电压 中 图 分 类 号 ：ＴＭ３０３．３ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
０ 引 言 无刷直流电机转子位置的检测方法主要分为位置
第１期 （总第１７０期） ２０１２ 年 ２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０１－０１６５－０２
Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．
反电动势过零点检测法的研究櫜
赵 奇
（中北大学 机械工程与自动化学院，山西 太原 ０３００５１）