簡單介紹一下常用的幾種無位置傳感器的控制方式

近年來，直流無刷電機的無位置傳感器技術日益受到人們的關注，無位置傳感器控制技術已成為直流無刷電機控制技術的一個發(fā)展方向。下面就簡單介紹一下常用的幾種無位置傳感器控制方式：

1、反電勢過零檢測法

在直流無刷電機中，繞阻的反電勢一般都是正負極交替變化的，當某相繞阻的反電勢過零時，電機轉子直軸正好與該相繞阻軸線重疊，因而只要檢查到各相反電勢的過零位置，就可得知電機轉子的數(shù)個關鍵位置，進而省掉電機轉子位置傳感器，實現(xiàn)直流無刷電機無位置傳感器控制。它是現(xiàn)階段運用最普遍的無位置傳感器控制方式。

這類方式的缺陷是靜止不動或低速檔時反電勢數(shù)據(jù)信號為零或很小，無法精確檢查繞阻的反電勢，因此沒法獲得準確的電機轉子位置數(shù)據(jù)信號，系統(tǒng)低速特性較差，必須選用開環(huán)方式啟動；此外，為清除PWM調制造成的電磁干擾，必須對反電勢數(shù)據(jù)信號進行深層濾波，這樣導致與電機轉速相關的數(shù)據(jù)信號相移，為了確保恰當?shù)膿Q相必須對此相移進行補償。

2、磁鏈觀測法

直流無刷電機磁鏈數(shù)據(jù)信號和轉子位置直接相關，因而能夠根據(jù)電機轉子磁鏈的值來確定電機轉子位置信號。但轉子磁鏈不能直接檢測獲得。為了獲得無刷電機轉子磁鏈值，務必先精確測量無刷電機的相電壓和電流，建立不取決于電機轉子速度而與電機轉子磁鏈直接相關的涵數(shù)方程，計算磁鏈值。這類方式測算量大，而相電壓和電流中帶有很多的電磁干擾信號，精確測量又必須要很高的硬件軟件成本費，因而非常少選用。

3、續(xù)流二極管法

這類方式是根據(jù)監(jiān)控并聯(lián)在逆變器功率管兩邊的自由換向二級管的通斷情況來確定電機功率管的換向時刻。直流無刷電機無位置傳感器三相繞阻中總有一相處在斷開狀態(tài)，因此根據(jù)監(jiān)控6個續(xù)流二級管的導通關斷情況就能夠得到6個功率管的開關次序。該方式能夠提升無刷電機的變速范圍，特別能夠擴寬無刷電機的調速下限?？墒沁@類方式規(guī)定逆變器務必工作在上下功率管輪流處在PWM斬波方式，增大了控制難度；此外，針對續(xù)流二極管通斷的無效信號和毛刺干擾造成的誤導通信號的去除也不容易實現(xiàn)。這類方式也存有著很大的檢測誤差，反電勢系數(shù)、繞阻電感量并不是常數(shù)、反電勢波型并不是規(guī)范的梯形波等都會導致電機轉子位置誤差。因為這類方式必須在二極管上并聯(lián)檢測電路，這對于集成化的功率器件（如IPM）很難實現(xiàn)。正由于以上諸多缺陷，因此這類方式在中國運用并不是很普遍，相對而言技術也不是很成熟。

4、狀態(tài)觀測器法

“狀態(tài)觀測器法”的基本思想就是以電機的轉速、轉子位置角、電流等參數(shù)為狀態(tài)變量，在定義狀態(tài)變量的基礎上對電機建立數(shù)學模型，通過數(shù)字濾波的方法得出狀態(tài)變量的離散值，從而實現(xiàn)對電機的控制。“狀態(tài)觀測器法”比較好的解決了電機在高速、重載情況下難于控制的問題，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)觀測器法”龐大的運算量在一定程度上限制了它的應用。這種方法一般采用數(shù)字信號處理器（DSP）來承擔龐大的運算量，因而增加了系統(tǒng)成本，在實際應用中并不多見。

5、反電勢三次諧波積分法

因為直流無刷電機無位置傳感器的反電動勢為典型性的梯形波，它包括了基波以及高次諧波分量，通過對電樞三相相電壓的簡單疊加，就能夠得到3次諧波以及奇數(shù)倍諧波，能夠從中獲取反電動勢的3次諧波分量，并進行積分，積分數(shù)值為零時即可得到功率器的開關信號。

反電動勢3次諧波信號的獲得有2種方法：一種運用電機中性點和并聯(lián)于電機三相繞阻端的星形電阻器的中性點來獲得反電動勢的3次諧波分量；在沒有中性點引出的電機，可以利用直流側中點電壓和星形電阻網(wǎng)絡的中性點來得到反電動勢的3次諧波分量；然后對得到的數(shù)據(jù)信號進行濾波，濾除3次諧波的高次分量，因為高次分量的最低為9倍的基波頻率，對濾波器要求低。因此它比反電動勢直接過零比較有更寬的運作范圍。這類方式避免了逆變器開關導致的干擾，但是3次諧波的幅值低于反電動勢的幅值，不容易檢測，特別是低速的狀況下，3次諧波信號更弱，難以獲得電機轉子位置信號。

6、電感法

電感法有兩種形式：一種是用于凸極式直流無刷電機，另一種是用于內置式轉子結構的直流無刷電機。第一種電感法主要是通過在起動過程中對電機繞組施加探測電壓來判斷其電感的變化。在凸極式直流無刷電機中，繞組自感可表示成繞組軸線與轉子直軸間夾角的偶次余弦函數(shù)，通過檢測繞組自感的變化，就可判斷出轉子軸線的大致位置；再根據(jù)鐵心飽和程度的變化趨勢確定其極性，從而最終得到正確位置信號。這種方法難度較大，且只能應用于凸極式直流無刷電機，所以目前較少應用。

第二種方法才是真正意義上的電感法。在內置式（IPM）直流無刷電機中，電機繞組電感和轉子位置之間有一定的對應關系，電感測量法就是基于這種關系，通過檢測繞組電感的變化來判斷轉子位置。當繞組采用星形接法其中兩相的電感量相等時，反電動勢正處于過零點，此時繞組中性點電位與直流電源中點電壓相等，由此獲得反電動勢過零點。但是這種方式需要對繞組電感進行不間斷的實時檢測，實現(xiàn)難度較大。

7、擴展卡爾曼濾波法

擴展卡爾曼濾波法通過建立電機的數(shù)學模型，周期性地檢測外加電壓、不導通相反電動勢和負載電流等變量，利用特定算法得到電機轉子的位置以及速度的估計值；通過比較估計值與設定值的差值后經(jīng)PD調節(jié)，達到控制電機的目的。研究通過端電壓檢測，在得到反電動勢的基礎上，用卡爾曼算法在線遞推出轉子位置，從而確定定子繞組換流時刻。它可以在線實時估計出轉子的位置及速度,取得令人滿意的效果。該算法的優(yōu)越性能遠遠超過經(jīng)典反電動勢過零無傳感器方法。該算法需要大約500DSP指令和在大約13μs執(zhí)行時間。利用DSP的快速計算能力實現(xiàn)了卡爾曼濾波的算法，保證了位置檢測的快速和準確性，使系統(tǒng)控制效率和魯棒性大大提高，同時降低了噪聲。所提出無傳感器控制算法可應用在家用電器，汽車和工業(yè)控制。

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