無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法

　　本文討論的是無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制方法，首先它的核心是獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，目前在市面上經(jīng)常使用的主要有以下方法。

　　1. 磁鏈觀測(cè)法

　　電機(jī)磁鏈信號(hào)和轉(zhuǎn)子位置直接相關(guān)， 因此可以通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈的值來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。但電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈不能直接檢測(cè)得到。為了獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈值，必須先測(cè)量電機(jī)的相電壓和電流， 建立不依賴(lài)于轉(zhuǎn)子速度而與轉(zhuǎn)子磁鏈直接相關(guān)的函數(shù)方程，計(jì)算磁鏈值。這種方法計(jì)算量大，而相電壓和電流中含有大量的干擾信號(hào)，準(zhǔn)確測(cè)量又需要很高的軟硬件成本，因此很少采用。

　　2. 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法

　　在無(wú)刷直流電機(jī)中，繞組的反電勢(shì)通常是正負(fù)交變的，當(dāng)某相繞組的反電勢(shì)過(guò)零時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸恰好與該相繞組軸線重合，因此只要檢測(cè)到各相反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，就可獲知轉(zhuǎn)子的若干個(gè)關(guān)鍵位置，從而省去轉(zhuǎn)子位置傳感器，實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制。這是目前應(yīng)用最廣泛的無(wú)位置傳感器 BLDCM 控制方法。

　　這種方法的缺點(diǎn)是靜止或低速時(shí)反電勢(shì)信號(hào)為零或很小，難以準(zhǔn)確檢測(cè)繞組的反電勢(shì)，因而無(wú)法得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，系統(tǒng)低速性能比較差，需要采用開(kāi)環(huán)方法進(jìn)行起動(dòng)；另外，為消除PWM調(diào)制引起的干擾信號(hào)，需要對(duì)反電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行深度濾波，這樣造成與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的信號(hào)相移，為了保證正確的換相需要對(duì)此相移進(jìn)行補(bǔ)償。

　　3. 反電勢(shì)三次諧波積分法

　　由于BLDCM的反電動(dòng)勢(shì)為典型的梯形波，它包含了基波及其高次諧波分量，通過(guò)對(duì)電樞三相相電壓的簡(jiǎn)單疊加，就可以獲得3次諧波及其奇數(shù)倍諧波，可以從中提取反電動(dòng)勢(shì)的3次諧波分量，并進(jìn)行積分，積分值為零時(shí)即得功率器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)

　　。反電動(dòng)勢(shì)3次諧波信號(hào)的獲取有兩種方式：一種利用電機(jī)中性點(diǎn)和并聯(lián)于電機(jī)三相繞組端的星形電阻的中性點(diǎn)來(lái)得到反電動(dòng)勢(shì)的3次諧波分量；在沒(méi)有中性點(diǎn)引出的電機(jī)，可以利用直流側(cè)中點(diǎn)電壓和星形電阻網(wǎng)絡(luò)的中性點(diǎn)來(lái)獲得反電動(dòng)勢(shì)的3次諧波分量；然后對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行濾波，濾掉3次諧波的高次分量，由于高次分量的最低為9倍的基波頻率，對(duì)濾波器要求低。因而它比反電動(dòng)勢(shì)直接過(guò)零比較有更寬的運(yùn)行范圍。這種方法避免了逆變器開(kāi)關(guān)造成的干擾，但是3次諧波的幅值小于反電勢(shì)的幅值，不易檢測(cè)，特別是低速的情況下，3次諧波信號(hào)更弱，難以獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

　　4. 續(xù)流二極管法

　　這種方法是通過(guò)監(jiān)視并聯(lián)在逆變器功率管兩端的自由換向二級(jí)管的導(dǎo)通情況來(lái)確定電機(jī)功率管的換向時(shí)刻。BLDCM 三相繞組中總有一相處于斷開(kāi)狀態(tài)， 于是通過(guò)監(jiān)視6個(gè)續(xù)流二級(jí)管的導(dǎo)通關(guān)斷情況就可以獲得6個(gè)功率管的開(kāi)關(guān)順序。該方法可以提高電機(jī)的調(diào)速范圍，特別是可以拓寬電機(jī)的調(diào)速下限。但是這種方法要求逆變器必須工作在上下功率管輪流處于PWM斬波方式，增大了控制難度；另外，對(duì)于續(xù)流二極管導(dǎo)通的無(wú)效信號(hào)和毛刺干擾造成的誤導(dǎo)通信號(hào)的去除也不易實(shí)現(xiàn)。這種方法也存在著較大的檢測(cè)誤差，反電勢(shì)系數(shù)、繞組電感量不是常數(shù)、反電勢(shì)波形不是標(biāo)準(zhǔn)的梯形波等都會(huì)造成轉(zhuǎn)子位置誤差。由于這種方法需要在二極管上并聯(lián)檢測(cè)電路，這對(duì)于集成的功率器件（如IPM）很難實(shí)現(xiàn)。正因?yàn)橐陨戏N種缺點(diǎn)，所以這種方法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不是很廣泛，相對(duì)來(lái)說(shuō)技術(shù)也不是很成熟。

　　5. 電感法

　　電感法有兩種形式：一種是用于凸極式永磁無(wú)刷直流電機(jī)，另一種是用于內(nèi)嵌式磁鋼結(jié)構(gòu)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)。第一種電感法主要是通過(guò)在起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電機(jī)繞組施加探測(cè)電壓來(lái)判斷其電感的變化。在凸極電機(jī)中，繞組自感可表示成繞組軸線與轉(zhuǎn)子直軸間夾角的偶次余弦函數(shù)，通過(guò)檢測(cè)繞組自感的變化，就可判斷出轉(zhuǎn)子軸線的大致位置，再根據(jù)鐵心飽和程度的變化趨勢(shì)確定其極性，從而最終得到正確位置信號(hào)。這種方法難度較大，且只能應(yīng)用于凸極電機(jī)，所以現(xiàn)在較少應(yīng)用。與第一種方法相比，第二種方法才是真正意義上的電感法。在內(nèi)嵌式永磁無(wú)刷直流電機(jī)中，繞組電感會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子位置的改變而發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)檢測(cè)這些變化，再經(jīng)過(guò)一定計(jì)算，即可得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。該方法中，需要對(duì)繞組電感進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，增加了實(shí)現(xiàn)的難度，應(yīng)用不是很廣泛。

　　6. 狀態(tài)觀測(cè)器法

　　“狀態(tài)觀測(cè)器法”的基本思想就是以電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角、電流等參數(shù)為狀態(tài)變量，在定義狀態(tài)變量的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)字濾波的方法得出狀態(tài)變量的離散值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。“狀態(tài)觀測(cè)器法”比較好的解決了電機(jī)在高速、重載情況下難于控制的問(wèn)題，其良好的抗干擾能力使其更適用于惡劣的工作環(huán)境。“狀態(tài)觀測(cè)器法”龐大的運(yùn)算量在一定程度上限制了它的應(yīng)用。這種方法一般采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)承擔(dān)龐大的運(yùn)算量，因而增加了系統(tǒng)成本，在實(shí)際應(yīng)用中并不多見(jiàn)。

　　無(wú)刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式按不同類(lèi)別可分多種驅(qū)動(dòng)方式，它們各有特點(diǎn)。

　　按驅(qū)動(dòng)波形：

　　1.方波驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)方便，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)位置傳感器控制；

　　2.正弦驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式可以改善電機(jī)運(yùn)行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，這種方法又有SPWM 和 SVPWM（空間矢量PWM）兩種方式，SVPWM的效果好于SPWM。
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