01概述：

在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，位置傳感器（如霍爾傳感器等）雖然為轉(zhuǎn)子位置提供了最直接最有效的檢測方法，但是它們也使電機(jī)的體積變大，需要的信號(hào)引線增多，生產(chǎn)成本增加。在某些應(yīng)用場合（如高溫高壓），位置傳感器的不可靠性更帶來了系統(tǒng)運(yùn)行失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，人們致力于尋找無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制方法。本文將討論包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式、PWM 調(diào)制方式、轉(zhuǎn)子位置檢測方法等無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)。

02電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇：

1、主功率電路驅(qū)動(dòng)方式分析

無刷直流電機(jī)可以有多相結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)都可以用全橋或半橋電路來驅(qū)動(dòng)，而全橋驅(qū)動(dòng)又可分為星形和角形聯(lián)結(jié)以及不同的通電方式。不同的選擇會(huì)使電機(jī)及控制系統(tǒng)產(chǎn)生不同性能和成本。以應(yīng)用最廣泛的三相無刷直流電機(jī)為例，便有三相半橋驅(qū)動(dòng)、三相星形全橋驅(qū)動(dòng)、三相三角形全橋驅(qū)動(dòng)等多種方式如下圖一所示：

(a)半橋驅(qū)動(dòng)方式

(b)半橋驅(qū)動(dòng)方式

圖一：無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式示意圖

如上圖一(a)所示，三相半橋驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是簡單，但電機(jī)繞組的利用率很低，每個(gè)繞組只通電1/3周期的時(shí)間，另外2/3時(shí)間處于斷電狀態(tài)，繞組未能得到充分利用，其運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大；對于要求較高的場合，一般采用三相全橋電路，如上圖一(b)所示。

無論電機(jī)繞組采用何種聯(lián)結(jié)方式，三相全橋驅(qū)動(dòng)電路都有兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種通電方式。兩兩通電方式是指每一瞬間有兩只開關(guān)管導(dǎo)通或調(diào)制，每隔60度電角度換相一次，每次換相改變一只開關(guān)管的狀態(tài)，每只開關(guān)管導(dǎo)通120度電角度；三三通電方式是指每一瞬間都有3只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通或調(diào)制，每隔60度電角度換相一次，每個(gè)開關(guān)管通電180度電角度。但是在三三通電方式中，對開關(guān)管的關(guān)斷和導(dǎo)通順序有嚴(yán)格的規(guī)定，稍有不慎便會(huì)造成上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，使直流電源短路而燒毀。

綜上分析，本文采用三相星形全橋驅(qū)動(dòng)電路，并采用兩兩導(dǎo)通的通電方式來探討無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)。

2、六步換相法

無刷直流電機(jī)采用兩兩通電的三相星形全橋驅(qū)動(dòng)方式后，每個(gè)電周期內(nèi)換相六次，也即是我們常說的六步換相法。根據(jù)通電繞組的不同，將一個(gè)電周期平均分成6步，稱為6個(gè)區(qū)間或6個(gè)狀態(tài)，換相發(fā)生在兩個(gè)相鄰狀態(tài)的切換瞬間，由開關(guān)管的切換完成。六步換相法的原理如下圖二所示。

(a)六步換相每個(gè)狀態(tài)對應(yīng)的電流方向

(b)定子繞組反電動(dòng)勢波形及開關(guān)管導(dǎo)通順序

圖二：六步換相原理示意圖

圖二(a)顯示了六步換相中每一步的電流流過電機(jī)繞組的方向，圖二(b)顯示了每一步電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢波形及開關(guān)管的導(dǎo)通情況。各開關(guān)管的導(dǎo)通順序是V1V4、V1V6、V3V6、V3V2、V5V2、V5V4、V1V4……當(dāng)V1和V4導(dǎo)通時(shí)，電流從V1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)V4流回電源，在這個(gè)狀態(tài)中，C相繞組是不通電的，即處于懸空狀態(tài)。每一狀態(tài)上都有兩相繞組通電，另外一相繞組懸空，這是六步換相法的重要特征，我們該篇文章將要討論的無位置傳感器控制就是基于此實(shí)現(xiàn)的。

03PWM調(diào)制方式：

PWM控制是最常用的電機(jī)調(diào)速方式，尤其是近年來IGBT和MOSFET等電力電子器件的發(fā)展，PWM的調(diào)制頻率可達(dá)幾十甚至幾百kHz，為電機(jī)的寬轉(zhuǎn)速、快響應(yīng)靈活調(diào)速提供了條件。PWM控制主要是通過PWM波對橋式逆變橋功率管的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制達(dá)到對電流的控制和調(diào)節(jié)。根據(jù)PWM的作用時(shí)間和作用的開關(guān)管不同，可以將PWM調(diào)制分為五種模式。在每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通的120度電角度的時(shí)間內(nèi)，五種調(diào)制模式如下圖三所示。

圖三：120度導(dǎo)通方式下五種PWM調(diào)制方式

(1)H_PWM-L_PWM模式：逆變橋上下橋臂采用互補(bǔ)的PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；

(2)ON_PWM模式：在每個(gè)開關(guān)管的120度電角度導(dǎo)通空間中，前60度電角度保持恒通，后60度電角度進(jìn)行PWM調(diào)制；

(3)PWM_ON模式：在每個(gè)開關(guān)管的120度電角度導(dǎo)通空間中，前60度電角度進(jìn)行PWM調(diào)制，后60度電角度保持恒通；

(4)H_PWM-L_ON模式：在每個(gè)通電狀態(tài)中，處于逆變橋中上橋臂的開關(guān)管采用PWM調(diào)制，下橋臂的開關(guān)管保持恒通；

(5)H_ON-L_PWM模式：在每個(gè)通電狀態(tài)中，處于逆變橋中上橋臂的開關(guān)管保持恒通，下橋臂的開關(guān)管采用PWM調(diào)制。

在五種調(diào)制方式中，上下橋臂同時(shí)調(diào)制的方式，如H_PWM-L_PWM，稱為“全斬波”調(diào)制模式；其他四種調(diào)制方式，稱為“半斬波”調(diào)制模式。“全斬波”模式的開關(guān)損耗和定子繞組的電流脈動(dòng)均是其他“半斬波”模式的兩倍，而在“半斬波”的四種調(diào)制模式里，在上橋換相過程中，PWM_ON模式和H_PWM-L_ON下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比ON_PWM模式和H_ON-L_PWM模式下的小；在下橋換相過程中，PWM_ON模式和H_ON-L_PWM下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比ON_PWM模式和H_PWM-L_ON模式下的小。

考慮到控制的簡單性，我們本文選擇最常用的H_PWM-L_ON模式（也被稱為上橋斬波下橋恒通），也即在每個(gè)通電狀態(tài)中只對上橋臂進(jìn)行PWM調(diào)制，而下橋臂保持恒通。以狀態(tài)1為例，AB相導(dǎo)通，當(dāng)PWM高電平時(shí)，V1、V4導(dǎo)通，電源通過V1、V4，電流增加；當(dāng)PWM低電平時(shí)，V1關(guān)斷，V4導(dǎo)通，電流通過二極管續(xù)流。采用H_PWM-L_ON模式能有效的降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，特別是在高速情況下。完整的PWM控制信號(hào)如下圖四所示。

圖四：PWM控制信號(hào)波形圖

04反電勢過零點(diǎn)檢測方法的實(shí)現(xiàn)：

對于反電動(dòng)勢為梯形波的無刷直流電機(jī)，通過檢測懸空相電壓的過零點(diǎn)，即可得到懸空相反電動(dòng)勢電壓的過零點(diǎn)。但是電機(jī)的引出線一般只有 A、B、C 三相繞組的引線，能夠直接檢測到的物理量只有端電壓和相電流，因此只有對這些物理量進(jìn)行處理和運(yùn)算，才能獲得電機(jī)的反電動(dòng)勢，檢測其過零點(diǎn)。

由于絕大部分電機(jī)的中性點(diǎn)并沒有引出，因此無法直接將定子端電壓與中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較來獲取過零點(diǎn)。針對這種情況，其中一種解決方法就是將端電壓與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較，假定端電壓等于VDC/2 的時(shí)候發(fā)生反電動(dòng)勢過零事件，如下圖五所示。這種電路容易實(shí)現(xiàn)，只需在繞組引出線上接上比較器即可，故一共需要三個(gè)比較器。但是這種方法檢測到的端電壓信號(hào)有正負(fù)相移，而且大多數(shù)情況下電機(jī)的額定電壓小于 VDC 電壓，因此反電動(dòng)勢過零事件并非總發(fā)生在 VDC/2 處，故檢測不準(zhǔn)確。

圖五：端電壓與直流母線電壓的一半進(jìn)行比較示意圖

另一種方法是將三相定子端電壓通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成虛擬中性電壓，通過比較端電壓與虛擬中性點(diǎn)電壓來獲取反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，如下圖六所示。但是由于電機(jī)采用PWM 調(diào)速，定子端電壓上都會(huì)疊加高頻干擾，影響到反電動(dòng)勢過零點(diǎn)的獲取。在許多情況下，都是采用電阻分壓并搭配RC低通濾波來實(shí)現(xiàn)的，但是這樣會(huì)導(dǎo)致反電動(dòng)勢信號(hào)大幅度地衰減，并且會(huì)帶來過零點(diǎn)的相移問題，后期要進(jìn)行相位補(bǔ)償，增加了控制的復(fù)雜程度。

圖六：端電壓與虛擬中性點(diǎn)進(jìn)行比較

由上可見，這些方法都依賴于片外比較器，而且可能存在過零點(diǎn)的相移問題。我們這篇文章在六步換相法和反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測方法的基礎(chǔ)上，探討更具針對性而且實(shí)現(xiàn)更方便的過零點(diǎn)檢測方法。

由圖二(b)可以看出，在每個(gè)狀態(tài)中，懸空相的反電動(dòng)勢正負(fù)號(hào)都會(huì)發(fā)生變化，故只要我們檢測到其反電動(dòng)勢正負(fù)號(hào)跳變的瞬間，即可捕捉到其過零點(diǎn)。以狀態(tài)1為例，此時(shí)電流從A相繞組流入，由B 相繞組流出，C相懸空。此時(shí)的電機(jī)等效電路如下圖七所示：

圖七：狀態(tài)1電機(jī)等效電路

根據(jù)等效電路，A、B 相繞組形成電流回路，C相繞組無電流，可得：

式(1)

式中：va、vb、vc ---- A、B、C 三相端電壓；

R、L ---- 定子繞組等效電阻、電感；

i ---- 定子繞組電流；

ea、eb、ec ---- A、B、C 三相反電動(dòng)勢；

un ---- 定子繞組中性點(diǎn)電壓。

反電勢是梯形波，在狀態(tài)1有ea + eb = 0 ，將式(1)前兩式相加，得：

式(2)

對式(2)進(jìn)行整理，得：

式(3)

由式(1)的第三個(gè)式子可得C相反電勢表達(dá)式：

式(4)

由式(4)可見，C相反電勢的表達(dá)式各項(xiàng)均為三相端電壓，均可直接測量。要檢測 ec過零，只需檢測的瞬間即可。由于在該狀態(tài)1內(nèi)，ec為下降沿穿越零點(diǎn)，故只需檢測ec從正到負(fù)的跳變即可。因此，當(dāng)三相端電壓的關(guān)系滿足，即是時(shí)，說明 ec出現(xiàn)了過零點(diǎn)。捕捉到過零點(diǎn)后，經(jīng)過30度電角度，就到達(dá)換相點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)該將繞組切換至狀態(tài)2的通電狀態(tài)（正轉(zhuǎn)情況下），即應(yīng)該將V4關(guān)斷，保持V1導(dǎo)通，并將V6開通，進(jìn)入狀態(tài)2通電狀態(tài)。等到狀態(tài)2的過零條件滿足時(shí)，再延時(shí)30度電角度，則應(yīng)該把開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)切換成狀態(tài)3對應(yīng)的狀態(tài)……如此循環(huán)往復(fù)，便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無傳感器運(yùn)行。

對照狀態(tài)1，可以得出其他各狀態(tài)的反電動(dòng)勢過零條件及換相說明，如下表一所示：

表一：各狀態(tài)反電動(dòng)勢過零條件及換相說明

對照圖二和表一可以看出，要實(shí)現(xiàn)換相，只需要在檢測到反電勢的過零點(diǎn)再延時(shí)30度電角度后，把定子繞組的通電狀態(tài)切換為下一區(qū)間所對應(yīng)的狀態(tài)就可以了。而這種檢測方法僅僅依賴于端電壓，不需要中性點(diǎn)，也不需要片外比較器，而且運(yùn)算過程簡單，只需要用單片機(jī)的 ADC 模塊對端電壓進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換后，就可以在內(nèi)部進(jìn)行過零事件的檢測，滿足條件時(shí)輸出1，否則輸出0。而由 PWM 調(diào)制引起的高頻噪聲對過零檢測的干擾，可以通過基于擇多函數(shù)的數(shù)字濾波器來消除。