一、概述

在無(wú)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(cè)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(chǎng)合（如 高溫高壓），位置傳感器的不可靠性更帶來(lái)了系統(tǒng)運(yùn)行失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，人們致力于尋找無(wú)刷直流電 機(jī)無(wú)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(cè)方法等無(wú)位 置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)。

二、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(wú)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(lái)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(wú)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：

如上圖一(a)所示，三相半橋驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)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(duì)于 要求較高的場(chǎng)合，一般采用三相全橋電路，如上圖一(b)所示。

無(wú)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(kāi)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(kāi)關(guān) 管的狀態(tài)，每只開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管通電 180 度電角度。但是在三三通電方式中，對(duì)開(kāi)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(lái)探討無(wú)位置傳感器控制 的關(guān)鍵技術(shù)。

2、六步換相法

無(wú)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(shuō) 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(kāi)關(guān)管的切換完成。六步換相法的原理如下圖二所示。

圖二(a)顯示了六步換相中每一步的電流流過(guò)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(shì)波形及開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通情況。各開(kāi)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?gòu)?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?cè)撈恼聦⒁懻摰臒o(wú)位置傳感器控制就是基于此實(shí)現(xiàn)的。

三、PWM 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(lái) 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(guò) PWM 波對(duì)橋式逆變橋功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制達(dá)到對(duì)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(kāi)關(guān)管不同，可以將 PWM 調(diào)制分為五種模式。在每個(gè)開(kāi)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。

(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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管采用 PWM 調(diào)制，下橋臂的開(kāi)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(kāi)關(guān)管保持恒通，下橋臂的開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(duì)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(guò) 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(guò) 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。

四、反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)為梯形波的無(wú)刷直流電機(jī)，通過(guò)檢測(cè)懸空相電壓的過(guò)零點(diǎn)，即可得到懸空相反電動(dòng)勢(shì) 電壓的過(guò)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(cè)到的物理量只有 端電壓和相電流，因此只有對(duì)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(shì)，檢測(cè)其過(guò)零點(diǎn)

由于絕大部分電機(jī)的中性點(diǎn)并沒(méi)有引出，因此無(wú)法直接將定子端電壓與中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較來(lái)獲取 過(guò)零點(diǎn)。針對(duì)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(shì)過(guò)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(cè)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(shì)過(guò)零事件并非總發(fā)生在 VDC/2 處，故檢測(cè)不準(zhǔn) 確。

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