线电压确定无刷直流电动机转子位置新方法
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线 电 压 确 定 无 刷 直 流 电 动 机 转 子 位 置 新 方 法
殷 帅 ，马 铁 华 ，吕彩 琴
（中 北 大 学 ，太 原 ０３００５１）
摘 要 ：针对无位置传感器无刷直流 电动机控 制问题 ，提 出一种基 于线 电压 的转 子位置 检测新方 法。依据 绕 组 电压方程 ，给 出了电机反 电动势计算方法 。通过采样 电机线 电压 ，得出反 电动 势计算值 ，确定 电机换相时 刻。为 解 决反 电动势计 算值 中窄脉冲引起过零点误 判 的问题 ，依据 反 电动势 变化率 在换 相时刻 远大 于非换 相 时刻 的原 理 ，采用反 电动势变化率检测法判 断过零点 时刻 。仿 真和实验 结果显 示该方 法能够 准确提供 转子位 置信息 ，在 负 载转矩恒定 和突变情 况下无换 相错误 等异常情况 ，表 明该方法具有 良好 的适应性 和可靠性 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ；ｂａｃｋ－ＥＭＦ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ
０ 引 言
无位置传感器无刷直流电动机 以其高效率、结 构 紧凑 、抗干 扰能 力强 、大功 率密 度和优 越 的调 速性 能等 优点 ，在 汽车 、家 用 电器 、航 空航 天 中取 得 了广 泛 的应 用 Ｊ。如 何 在 没 有 位 置传 感 器 前 提 下 准 确 获取 电机 转子 位置 信 息 ，成 为 无 位 置传 感 器 无 刷 直 流 电动机 研究 热点 之一 。现 有 的转子位 置 检测法 有 反 电动 势 法 ］、电 感 法 ］、磁链 法 加 等 ，其 中 反 电动势 法是 目前 技 术 最 为成 熟 ，应 用 最 为 广 泛 的 方法 。
很好地给出转子位置信息 ，但硬件 中需要增加相电 殷
流 、线 电压 检测模 块 ，且 软件 中还 需 要 积 分运 算 ，增 ｉ帅
加 了控 制单 元 的 ＣＰＵ消 耗 。端 电压 检 测 法 实 现 等
简 单 ，只需经 软件 计 算 或 硬 件 电路 即可 获 得 反 电动 线
势 过零 点 ，然 后延 迟 ６电角度 即为换 相 时刻 。但 ：
收 稿 日期 ：２０１５－０７—１０ 基金项目 ：山西省基 础研究计 划项 目（２０１３０１２０１０）；山西 省 回 国留学人 员科研 资助项 目（２０１４—０５２）
的可靠 性 。且该 方 法 不仅 需 要 检 测 相 电 流 ，还需 要 ；
检 测相 电压 ，增 加 了控 制 系 统 成 本 。文 献 ［４］虽 能 ｉ
ＹＩＮ Ｓｈｕａ 。Ｍ Ａ Ｔｉｅ—ｈｕａ ，ＬＵ Ｃａｉ．ｑｉｎ
（Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｂａｃｋ—ＥＭＦ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍ ｏｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ． Ｔｈｕｓ， ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｔａ— ｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｗａｓ ｄｅｆｉｎｅｄ ｂｙ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｚｅｒｏ—ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｂａｃｋ－ＥＭ Ｆ ｃｈａｎｇｅ ｒａｔｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒａｔｅ ｏｆ Ｂａｃｋ－ＥＭ Ｆ ａｔ ｃｏｍ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｉｍ ｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ａｐｐｅａｒｓ ｕｎｕｓｕａ ｌ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｆａｌｓｅ ｃｏｍ ｍｕｔａｔｉｏｎ ａｔ ｌｏａｄ ｔｏｒｑｕｅ ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ａｎｄ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍ ｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ａｄａｐｔａｂｉｌｉ— ｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．
关键词 ：无刷直流 电动机 ；无位 置传感器控制 ；线 电压 ；反电动势变化率检测 中 图分 类 号 ：ＴＭ３３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４—７０１８（２０１６）０２—００３７—０４
Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｃｈｅｍ ｅ ｏｆ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｏｔｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＢＬＤＣＭ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｌｉｎｅ Ｖｏｌｔａｇｅ
文献 ［２—４］提 出一 种基 于线 反 电动 势 的转 子 位 置检 测方 法 。其 中 ，文献 ［３］在 确 定 线 反 电 动 势 上 升到 最 大值 时为换 相 时 刻 的 基础 上 ，通 过 采 样 线 电 压和 相 电流来 获取换 相 点 。该 方法 由于 不采 用过零 点检 测 ，使 其不 用相 移 ，但 实 际线反 电动 势波 形在 平 顶处有毛刺 ，容易引起换相信号的误判 ，降低 了系统
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线 电 压 确 定 无 刷 直 流 电 动 机 转 子 位 置 新 方 法
殷 帅 ，马 铁 华 ，吕彩 琴
（中 北 大 学 ，太 原 ０３００５１）
摘 要 ：针对无位置传感器无刷直流 电动机控 制问题 ，提 出一种基 于线 电压 的转 子位置 检测新方 法。依据 绕 组 电压方程 ，给 出了电机反 电动势计算方法 。通过采样 电机线 电压 ，得出反 电动 势计算值 ，确定 电机换相时 刻。为 解 决反 电动势计 算值 中窄脉冲引起过零点误 判 的问题 ，依据 反 电动势 变化率 在换 相时刻 远大 于非换 相 时刻 的原 理 ，采用反 电动势变化率检测法判 断过零点 时刻 。仿 真和实验 结果显 示该方 法能够 准确提供 转子位 置信息 ，在 负 载转矩恒定 和突变情 况下无换 相错误 等异常情况 ，表 明该方法具有 良好 的适应性 和可靠性 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ；ｂａｃｋ－ＥＭＦ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ
０ 引 言
无位置传感器无刷直流电动机 以其高效率、结 构 紧凑 、抗干 扰能 力强 、大功 率密 度和优 越 的调 速性 能等 优点 ，在 汽车 、家 用 电器 、航 空航 天 中取 得 了广 泛 的应 用 Ｊ。如 何 在 没 有 位 置传 感 器 前 提 下 准 确 获取 电机 转子 位置 信 息 ，成 为 无 位 置传 感 器 无 刷 直 流 电动机 研究 热点 之一 。现 有 的转子位 置 检测法 有 反 电动 势 法 ］、电 感 法 ］、磁链 法 加 等 ，其 中 反 电动势 法是 目前 技 术 最 为成 熟 ，应 用 最 为 广 泛 的 方法 。
很好地给出转子位置信息 ，但硬件 中需要增加相电 殷
流 、线 电压 检测模 块 ，且 软件 中还 需 要 积 分运 算 ，增 ｉ帅
加 了控 制单 元 的 ＣＰＵ消 耗 。端 电压 检 测 法 实 现 等
简 单 ，只需经 软件 计 算 或 硬 件 电路 即可 获 得 反 电动 线
势 过零 点 ，然 后延 迟 ６电角度 即为换 相 时刻 。但 ：
收 稿 日期 ：２０１５－０７—１０ 基金项目 ：山西省基 础研究计 划项 目（２０１３０１２０１０）；山西 省 回 国留学人 员科研 资助项 目（２０１４—０５２）
的可靠 性 。且该 方 法 不仅 需 要 检 测 相 电 流 ，还需 要 ；
检 测相 电压 ，增 加 了控 制 系 统 成 本 。文 献 ［４］虽 能 ｉ
ＹＩＮ Ｓｈｕａ 。Ｍ Ａ Ｔｉｅ—ｈｕａ ，ＬＵ Ｃａｉ．ｑｉｎ
（Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ． Ｂａｃｋ—ＥＭＦ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍ ｏｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ． Ｔｈｕｓ， ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｔａ— ｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｗａｓ ｄｅｆｉｎｅｄ ｂｙ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｚｅｒｏ—ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｂａｃｋ－ＥＭ Ｆ ｃｈａｎｇｅ ｒａｔｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒａｔｅ ｏｆ Ｂａｃｋ－ＥＭ Ｆ ａｔ ｃｏｍ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｔｉｍ ｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ａｐｐｅａｒｓ ｕｎｕｓｕａ ｌ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｆａｌｓｅ ｃｏｍ ｍｕｔａｔｉｏｎ ａｔ ｌｏａｄ ｔｏｒｑｕｅ ｉｄｅｎｔｉｃａｌ ａｎｄ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍ ｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ａｄａｐｔａｂｉｌｉ— ｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．
关键词 ：无刷直流 电动机 ；无位 置传感器控制 ；线 电压 ；反电动势变化率检测 中 图分 类 号 ：ＴＭ３３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４—７０１８（２０１６）０２—００３７—０４
Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｃｈｅｍ ｅ ｏｆ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｏｔｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＢＬＤＣＭ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｌｉｎｅ Ｖｏｌｔａｇｅ
文献 ［２—４］提 出一 种基 于线 反 电动 势 的转 子 位 置检 测方 法 。其 中 ，文献 ［３］在 确 定 线 反 电 动 势 上 升到 最 大值 时为换 相 时 刻 的 基础 上 ，通 过 采 样 线 电 压和 相 电流来 获取换 相 点 。该 方法 由于 不采 用过零 点检 测 ，使 其不 用相 移 ，但 实 际线反 电动 势波 形在 平 顶处有毛刺 ，容易引起换相信号的误判 ，降低 了系统