无刷直流电机反电势过零法无传感器控制

无刷直流电机反电势过零法无传感器控制

作者：张敏

来源：《装饰装修天地》2017年第21期

摘要：无刷直流电机具有良好的线性调速、高质高效平滑运转特性，结构简单，体积小，重量轻，效率高，功率因素高，转矩/重量比高，转动惯量低，易于散热，易于维护保养等优点，因此应用范围相当广泛。随着电力电子器件的迅速发展，直流无刷电机利用电子换相器件取代了机械电刷和换向片，极大地提高了工业制造以及相关自动化电力系统部门的生产效率与质量，同时也伴随着应用领域需求的不断扩大，对无刷直流电机设计要求也越来越高。

关键词：无刷；直流电机；反电势；过零法；无传感器控制

1 引言

无刷直流电机具有良好的线性调速、高质高效平滑运转特性，结构简单，体积小，重量轻，效率高，功率因素高，转矩/重量比高，转动惯量低，易于散热，易于维护保养等优点，因此应用范围相当广泛。随着电力电子器件的迅速发展，直流无刷电机利用电子换相器件取代了机械电刷和换向片，极大地提高了工业制造以及相关自动化电力系统部门的生产效率与质量，同时也伴随着应用领域需求的不断扩大，对无刷直流电机设计要求也越来越高。这些无位置传感器位置检测技术各有优缺点和适用场合，但因反电势检测法具有线路简单、技术成熟、成本低、简单易行、可靠等众多优点，所以反电势检测法成为比较理想且应用最多的无位置传感器无刷直流电机控制方法。

2 无刷直流电机概述

应对环境保护标准，汽车的能效法规日益严格；消费者对节能、安全、便捷和舒适度提出更高的要求，都推动汽车功能电子化趋势日益加强。目前的汽车已不再是当初单纯的机械产品，已成为复杂度足够高的机电一体化产品。国际汽车权威组织预测，至2020年，一辆豪华车中的电机数量可多达120台。无刷直流电机具有优异的性能，能实现更高的能效和性价比，在数字电子技术飞速发展过程中，无刷直流电机被整合至汽车的执行元件中，如散热风扇、暖通空调（HVAC）、刮水器、燃油泵、水泵、油泵、座椅风扇和混合动力系统等部件里。

无刷直流电机（英文为Brush less DC Motor，简写为BLDC）属于一种极典型的机电一体化的基础产品，作为执行元件的电机与其控制装置紧密关联，构成能完成复杂功能的自动化器械。无刷电机中无电刷和换向器或集电环一类的机械构件，由晶体管电路电子换向将交流转换为直流，以及直流逆变为交流。无须顾忌磨损、粉尘、噪声、火花和高强度的电磁干扰，并为汽车内特定的应用提供良好的无级变速控制。国际汽车权威组织称，无刷电机显著地提升燃油

能效和燃油经济性，节省60%～70%的能耗；无刷电机用于电动助力转向（EPS），行驶距离会增加3%～5%；用于电动水泵（EWP）及电动油泵（EOP），提升约1%～3%的能效。

无刷电机是成熟于20世纪末的新产品，由于它高效、低噪、免维护、高可靠等种种优势，正快速普及至家用电器、医疗器械、工业自动化设备仪器仪表和航天航空，自然也有汽车行业。与有刷直流电机和感应电机相比，BLDC优势显著，包括：极佳的转矩-转速特性，高速的动态响应，高效率，极宽的无级可调的转速范围，运转无噪音，高可靠性，使用寿命长。

3 反电势法最佳换相逻辑分析

从换相理论方面来说，反电势过零检测法其实就是在检测到反电势的过零点后进行30°的延迟以作为下一组绕组的換相点。同时还应该对逆变器的触发顺序进行有效的控制，从而使得相电流与反电势的相位一致，在反电势波形的平顶部分导通该相绕组，实现电机的“最佳换相逻辑”。

当电机达到“最佳换向逻辑”时，可使电机绕组获得最大利用率，使电机具有较大转矩和较小转矩脉动，此时电机的稳定性最好，达到电机最佳运行。

由于系统采用脉冲宽度调制（PWM），所以终端电压的检测有大量的斩波器组件，将干扰与反电势波形，使零是不明确的，它在反电动势电路滤波电容通常是必要的。然而，非线性元件的引入不可避免地会产生相移，为了实现无刷直流电动机的“最佳换相逻辑”，必须在移相动态相位补偿中生成软件。检测电路如图1所示。

4 无传感器控制技术

无刷电机转子位置可以通过霍尔传感器或无传感器获得。利用软件编程结合硬件电路获得关键转子位置信号，是无传感器控制技术的主要思想。没有传感器控制的方法也很多，下面以方框图的形式简要介绍了主要的三种方法：

（1）反电动势积分法；（2）反电动势过零法；（3）续流二极管的方法。

续流二极管的方法。无传感器控制技术，减小了电机设计的难度，虽然电机低速运行时，其反收购的影响，电机开始需要一些帮助，但抗干扰能力强，可在潮湿，高温，温度变化等环境中，在无刷电机的突出优点。

反电动势过零法简单实用，但其过零捕获直接影响控制系统能否稳定运行。

对于三相六状态，和方波驱动的无刷电机反电动势波形为梯形波，而其平顶宽度120°电角度，电机具有良好的换向作用，方波电流的相位作为反电动势相同，与绕组匝数准确的梯形波顶。

5 结束语

总而言之，随着科技的不断进步，无刷直流电机及其控制会得到更好的发展，在其性能的提高和功能的改善上都将会有一个质的突破。虽然说它集各种电机的优点于一身，并且在现今的各大领域都在进行着广泛的使用，但是还存在着一些问题亟待解决，我们相信随着微电子技术和相关技术的发展能够使这些问题得到解决，让人们的生活更加的便利，使我国国民经济的发展也更加的蓬勃向上。

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