摘  要：為了實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制，提出了一種新穎的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法，該方法通過比較逆變器直流環(huán)中點(diǎn)電壓和電機(jī)斷開相繞組端電壓的關(guān)系，直接檢測(cè)到斷開相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，再將該過零點(diǎn)延遲30°電角度即可獲得無刷直流電機(jī)繞組換相所必須的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低速時(shí)該掛測(cè)方法可以良好地工作，因此應(yīng)用此檢測(cè)方法構(gòu)成的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)可以運(yùn)行在很寬的速度范圍內(nèi)。文中對(duì)該檢測(cè)方法的原理進(jìn)行了分析，得到了檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)圖并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)；過零點(diǎn)；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)

    無刷直流電機(jī)具有體積小、功率密度高、控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用也越來越廣泛。但無刷直流電機(jī)需要一套位置傳感器來控制其繞組換相，這給電機(jī)的可靠性、成本以及制造工藝要求等帶來了不利的影響。因此無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制成了目前研究的熱點(diǎn)，其中如何簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地檢測(cè)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制的關(guān)鍵，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。
    在各類方法中，反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法。文提出的通過檢測(cè)斷開相繞組端電壓來間接獲得反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的方法需要重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)，由于重構(gòu)的中性點(diǎn)電壓里包含了大量的開關(guān)噪
聲，必須對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，這會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)與實(shí)際反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)間的相移；文對(duì)文提出的方法進(jìn)行了改進(jìn)，但仍然需要重構(gòu)電機(jī)的中性點(diǎn)；文通過使用特殊的脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法使斷開相繞組也產(chǎn)生導(dǎo)通現(xiàn)象，并通過檢測(cè)該導(dǎo)通現(xiàn)象來間接獲得反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，但該方法會(huì)引起負(fù)向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)而且需要6個(gè)獨(dú)立的電源供電，大大增加了檢測(cè)電路的成本；文提出的直接檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的方法使用半橋調(diào)制方式，這種調(diào)制方式也會(huì)引起負(fù)向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而且該檢測(cè)電路只能在PWM關(guān)斷期間起作用，這使得PWM的占空比必須被限制在一定范圍內(nèi)。
    本文提出了一種新穎的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法，該方法無需重構(gòu)電機(jī)中性點(diǎn)，不受開關(guān)噪聲影響，因此也不必使用濾波電路。使用全橋調(diào)制方式，不會(huì)引入負(fù)向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且可以工作在任意的PWM占空比下。實(shí)驗(yàn)證明使用該檢測(cè)方法可以在很寬的速度范圍內(nèi)檢測(cè)到斷開相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，從而得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。該方法硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以直接使用驅(qū)動(dòng)電路的電源進(jìn)行供電，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)
    普通的無刷直流電機(jī)采用三相逆變器供電，其繞組具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)和方波電流，每相繞組通電120°電角度，如圖1所示。為了使無刷直流電機(jī)在單位電流內(nèi)能夠輸出最大的轉(zhuǎn)矩，必須使各相繞組反電動(dòng)勢(shì)和相電流保持相位一致。無刷直流電機(jī)
在正常導(dǎo)通期間只有兩相繞組通電，另外一相繞組斷開，因?yàn)閿嚅_相繞組中沒有電流流過，因此其端電壓反映了該相繞組反電動(dòng)勢(shì)的大小，而反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)領(lǐng)先該相繞組換相信號(hào)30°電角度。

    用本文提出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法構(gòu)成的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電路在一個(gè)周期內(nèi)將得到的6個(gè)過零點(diǎn)信號(hào)輸入到數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，通過軟件延時(shí)30°電角度后產(chǎn)生繞組換相信號(hào)，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于PWM的電流控制器和換相邏輯算法也由軟件實(shí)現(xiàn)。

2 新穎的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法
    本文提出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法主要包括兩個(gè)步驟：首先直接將逆變器直流環(huán)中點(diǎn)電壓與斷開相繞組端電壓進(jìn)行比較，得到斷開相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示；然后再通過DSP將檢測(cè)得到的過零點(diǎn)信號(hào)延時(shí)30°電角度、從而得到無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制必須的繞組換相信號(hào)。
    圖3中，T3管和T4管同時(shí)進(jìn)行PWM調(diào)制，即全橋調(diào)制方式，A、B兩相繞組通電，C相繞組斷開。此時(shí)C相繞組端電壓Uc的電位始終在Udc和0之間，與T2和T5反并聯(lián)的二極管不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通現(xiàn)象，從而消除了斷開相繞組的導(dǎo)通現(xiàn)象。R1和R2阻值相等，故Um=Udc／2。

    
    同理，當(dāng)T3、T4管關(guān)斷，二極管D1、D6續(xù)流時(shí)，根據(jù)回路2可以得到相同的結(jié)果，即C相繞組端電壓的表達(dá)式仍為式(5)，所以無論P(yáng)WM處于導(dǎo)通狀態(tài)還是關(guān)斷狀態(tài)，C相繞組端電壓Uc的表達(dá)式不變，即Uc都能反映該相繞組反電動(dòng)勢(shì)的信息;而且該表達(dá)式中不含開關(guān)管導(dǎo)通壓降和續(xù)流二極管導(dǎo)通壓降，不受開關(guān)噪聲的影咆，因此也無需增加濾波電路。
    以T3、T4管導(dǎo)通為例來分析該檢測(cè)電路的工作過程，此時(shí)電流從B相繞組流進(jìn)，從A相繞組流出，C相繞組處于斷開狀態(tài)，其反電動(dòng)勢(shì)ec從-E逐漸增加到E。當(dāng)ec<0時(shí),Uc=Udc/2+ec<Um=Udc／2，Uo輸出高電平；當(dāng)ec>O時(shí)，U=Udc／2+ec>Un=Udc／2，Uo則輸出低電平，比較器輸出信號(hào)Uo的跳變代表了斷開相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，用該檢測(cè)電路得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，本文設(shè)計(jì)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電路能夠良好的工作，每一相檢測(cè)電路在一個(gè)周期內(nèi)給出兩個(gè)跳變信號(hào)，這樣通過延時(shí)即可得到該相繞組的兩個(gè)換相信號(hào)。但當(dāng)電機(jī)繞組換相時(shí)，由于三相繞組同時(shí)導(dǎo)通，電機(jī)中性點(diǎn)電壓Un發(fā)生了突變，導(dǎo)致斷開相繞組端電壓的值Uc也發(fā)生變化，從而引起了反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電