无位置传感器无刷直流电机转子位置检测

无位置传感器无刷直流电机转子位置检测
传统的获取无刷直流电机转子位置信息的方法是采用电子式、机电式、光电式等位置传感器直接测量，如霍尔效应器件(HED)，光学编码器，旋转变压器等位置传感器。

然而，这些位置传感器有的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件敏感，如震动、潮湿和温度变化等都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性难以得到保证。

传感器还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设计带来一定困难。

略去无刷电动机的位置传感器而用其他方法检测转子的位置，是一项具有实际意义的工作，能进一步扩大无刷直流电动机的应用领域和生产规模。

无位置传感器无刷直流电机，顾名思义，就是省去了无刷直流电机中的转子位置传感器。

虽然，无位置传感器无刷直流电机不需要直接安装转子位置传感器，但在电机运转过程中，控制电机换相的转子位置信号还是需要的，因此，无位置传感器无刷直流电机控制技术的关键是架构一转子位置信号检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。

就无刷直流电动机而言，目前国内外对无位置传感器无刷直流电动机做了不少的研究，提出了不少转子位置检测方法，按其原理分为以下几种：
（1）利用反电势检测转子位置；
（2）利用绕组电感检测转子位置；
（3）利用瞬时电压的方程检测转子位置；
（4）利用绕组端电压检测转子位置；
（5）利用相电流检测转子位置；
下面对几种典型无位置检测的方法进行比较
1.1利用电机反电势信号控制电机的换向
有三种检测电机反电势的方法：零交叉法、锁相环法和反电势积分法：
a)零交叉法：当检测到未导通项绕组的反电势过零时，触发定时器，在定时时间结束时，逆变器实现下一个相序的换向。

该方法简单，价格便宜。

缺点是静止或低速时反电势信号为零或很小，难以准确检测绕组的反电势，因而无法得到有效的转子位置信号，系统低速性能比较差；另外，为消除干扰信号，需要对反电势信号进行深度滤波，这样造成与电机转速有关的信号相移，为了保证正确的换相需要对此相移进行补偿。

b)锁相环法：利用非导通相反电动势经逻辑处理后得到周期为60°电角度的脉冲列，再采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，通过同步计数器计数值和锁存器预置数值的比较，可获得理想的换相点以决定逆变器下一个开关的准确导通时间，该方法具有随电机转速变化而实现自动调整的特性。

c)反电势积分法：把整形后的反电势波形送至积分器，其输出与预置门槛电压比较后触发定时器，从而降低了对开关噪声的敏感度，实现了随转速变化逆变器换向时间的自动调整。

缺点：这种方法需要进行积分比较，增加了检测电路的复杂性，也增加了软件的运算量，同时还增加了成木，不便实际应用。

1.2利用电机各相瞬态电压和电流方程，计算电机由静止到正常运转每一时刻的转子位置，控制电机运行。

优点：不需要专门的起动线路，电路简单，起动转矩大。

缺点：对电机本身的参数的依赖性大，当电机参数因温度变化而发生飘移时，容易造成建模
误差，使控制不够精确;另外，由于计算复杂，故在电机转速较高时，须采用价格较昂贵的数
字信号处理器(DSP)和高速模拟/数字转换器ADC
1.3通过检测不导通相绕组续流二极管的开关状态，间接检测电机反电势过零点，控制电机
换向。

优点:检测电路简单，灵敏度高，电机调速范围宽。

缺点:检测电路对电机反电势信号有特殊的要求，反电势信号必须为梯形，这种方法对反电势为正弦的电机并不适用。

2反电势检测方法分析
本文我们探讨的是无位置传感器BLDCM利用ML4435芯片与单片机联合控制的技术。

其中
转子位置检测法采用锁相环法，这是因为ML4435芯片内部利用的是这一方法来检测转子位置。

ML4435采用锁相环(PLL)技术,通过测定电机绕组的反电势来控制电机的换相。

对于反电势检测方法的具体理解为：BLDCM在120°导通型逆变器控制下，任何时刻只有两
相定子绕组有电流通过，另一相是被关断的。

但该相仍然在切割转子磁场并产生反电动势，
此反电势为梯形波。

为了保证最大的电枢电流来获得最大的平均转矩，由各相反电势过零点
延迟30°即为换相点，如果能确定该时刻，就能取代转子位置传感器。

但是反电势难以直接
测量，目前常用的间接测量断开相反电动势的方法为：端电压法和相电压法。

所谓相电压，
对于三相星形连接的绕组来说是指相绕组两端的电压，也就是绕组端部和中心点之间的电压。

然而，大部分无刷直流电机都没有中心点引出线，因此采用测量端电压的方法。

所谓端电压
就是在相电压的基础上加上中心点对地的电压。

（2-1）
式中x表示悬空相，即未导通相。

可以看出，在某时刻对于断开相来说，其相电压近似等于
反电势，所以端电压等于反电势加上中心点电压，因此当测得某相端电压为中心点电压时，
此时刻即为该相反电势过零点。

ML4435能比较反电势信号与电机中性点，而不需要从Y接绕组的电机中引出一信号线，这
样就省去了外围参考电压电路的设计，方便了应用。

3无位置传感器无刷直流电机的起动策略
由于无位置传感器无刷直流电机利用了绕组反电动势过零点信号来控制电机的换相,所以电机绕组的反电动势过零点信号的检测就显得非常的关键。

而当电机静止或低速运行时，绕组的
反电动势为零或很小，检测电路不能及时地检测到反电动势过零点，致使控制器不能及时地
控制功率开关管的导通。

随着无位置传感器无刷直流电机的发展，电机的起动技术显得异常
重要，这也是近年来无位置传感器无刷直流电机控制领域研究的一个重点。

传统方式又以“三段式”起动法使用最为广泛。

该方法的基本思想是利用开环起动,同步电动机
的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直流电机运行状态(闭环控制)。

“三段式”起动法包括转子定位、加速和切换三个阶段，实现起来外围电路较烦索。

4结束语
本章对无刷直流电机的结构及工作原理作了简单介绍，先从介绍有位置传感器无刷直流电机
的工作原理入手，然后由此引入介绍了无位置传感器无刷直流电机的电机转子位置的检测方法。

接着重点介绍了无位置传感器无刷直流电机的反电动势转子位置检测方法，最后讨论了
无刷直流电动机的启动方法。

参考文献:
[1] 张琛.无刷直流电机原理及应用[M].北京:机械工业出版社.1996
[2] 吴红星.电机驱动与控制专用集成电路与应用[M]. 北京：中国电力出版社.2006
[3] 刘胜利，刘宁宁.无传感器的直流无刷电机控制器ML4435及其应用[J]. 深圳中电公司电力所，广东深圳518042.2001。