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无刷直流电机(BLDC）的无传感器控制点击：3947 | 回复：7

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发表于：2008-07-31 18:44:47

楼主

前言

无刷直流电机（BLDC）是同步电机的一种。也就是说，定子产生的磁场与转子产生的磁场具有相同的频率。BLDC电机不会遇到异步电机的转差问题。BLDC电机有单相和三相，这里主要讨论三相BLDC电机。

无刷直流（BLDC）电机体积小、可控制且效率高，因此在消费和工业应用中得以采用。这种电机还越来越多地被应用于汽车应用中，以避免使用皮带和液压传动系统，并提供更多功能和改善燃料利用率。 BLDC 电机控制所需磁性元件和电子元器件成本的不断降低使得无刷直流电机的应用越来越广泛，同时还被用于更高的功率级别。由于电励磁必须与转子位置同步，BLDC 电机运行时通常带有一个或多个转子位置传感器。由于成本、可靠性以及机械装配等因素，尤其是当转子浸没在液体中运行时，要求电机不带位置传感器运行（即所谓的无传感器运行）。

论坛有许多介绍BLDC电机结构原理的文章，因此不再详细阐述。这里讨论BLDC 电机换相的无传感器技术，本文讨论的方法仅适用于标准结构的三相电机（不含搜索线圈或不对称设计）。另外，本文还假定采用常规120°通电方式，这样在一些时间段会出现某相上电流为零、不通电的现象。

为使电机运行，必须按照周期性间隔切换通电的相（即换相）。要使电机正确换相，必须测量电周期中的绝对位置。对于常规通电，每个电周期需要六次等距换相。这通常是通过三个霍尔效应开关或光学开关（转子上要有相应的圆盘）实现的，并不需要连续的位置信息，只要检测所需换相情况即可。所以不使用霍尔开关等传感器，能推测出换流时刻也能实现正确换相。这里想到了定子绕组的反电势。图1 给出了三个传感器的输出和每相的相应反电动势（Back EMF， BEMF）电压波形。

要通过监测电机的某项特性来检测转子位置，显然该特性必须随位置发生变化。此外，理想的情况是该特性能在电周期中建立唯一的位置，这将增强无传感器技术的鲁棒性。相磁通链随位置发生的变化会产生转矩。这种效应可以从磁阻和BEMF 两方面进行考虑，这两者不但随电流变化，而且随位置变化。 BEMF 还随速度线性变化。可以直接监测磁阻或BEMF 的变化，也可以监测它们对间接量的影响。

磁阻变化方法
如公式1 的磁欧姆定律所示，磁阻是电阻的磁当量：

磁阻表示磁通流经由钢、气隙和磁体组成的磁路的难易程度。磁体是非常好的磁通源，相当于电流源。相绕组是良好的MMF 源，相当于电压源。在低磁负载时，钢的磁阻很小，并处于磁不饱和状态。在高磁负载（一般为>1.5 T）下，钢的磁阻会随磁饱和的开始迅速增加。空气具有非常高的磁阻，它与磁负载无关。磁性材料也有相似的特性。
磁阻随位置而变化，因此可以作为无传感器运行的基础。在所有BLDC 电机中，磁阻随角度也会发生某些变化。从电机来看，磁阻的变化与电感的变化一样明显。磁阻变化有明显的优点，因为在零速度下可以检测到。但是，需要先了解要控制电机的L(i,θ) 特性。

不幸的是，对于很多BLDC 电机，磁阻随位置的变化太小，无法可靠地进行测量。尤其是对于表面安装了磁体的电机，其有效气隙很大，所以此特性在这类电机上表现得尤为明显。因此，磁阻的主要部分是不变的，这使随位置发生的剩余变化很难测量。在专门设计为低转矩脉动的电机中，磁阻变化也会较小，因为变化的磁阻会产生多余的转矩。隐磁或内磁电机的磁阻随角度变化很大，但是它们一般用正弦电压通电，因此这里不再讨论。

BEMF 法
电机的BEMF波形随位置和速度变化。因此不可能在零速度和低速时用BEMF 检测位置。但是，有很多应用（例如风扇和泵）在低速时不需要位置控制或闭环运行。对于这些应用， BEMF 法就很适合。有很多使用BEMF 的方法，主要方法可以归纳如下：
• 电机端电压检测
- 通过直接测量或推算（开关状态和DC 母线电压已知）。
• 中点电压检测
- 只适用于具有特殊BEMF 特性的Y 型连接电机。
- 实际上不需要第4 根线。使用电阻网络和差分操作，可以重新建立星型连接中心点。
• 母线电流梯度检测
- 因为换相随转子超前或滞后而发生变化，因此取决于特定母线电流的形状。
- 无法使用快速母线电流控制。

磁通链变化法
检测磁通链随位置的变化可以有效地综合利用磁阻法和BEMF 法。公式2 给出了相电压：

此方法对方波或正弦波通电提供了从零速度起动的无缝运行能力。需要使用闭环观测器，以通过所加电压和所测相电流的开环积分来正确确定位置，这需要预先详细了解电机的ψ(i,θ) 特性和有效处理能力。

所选无传感器技术的实现
具体的实现方法基于检测不通电相的BEMF为零时的情况。除了可选的母线电流检测信号放大以及功率开关门驱动电路外，采用处理器实现提供所有的控制功能。

选择所谓的BEMF “过零检测”技术是因为：
• 它适用于多种电机。
• 理论上，Y 型连接和Δ 型连接的三相电机都可以使用它。某些类别的Δ 型连接电机可能无法应用这种技术。
• 不需要详细了解电机特性。
• 对电机制造容许公差要求不太严格。
• 它对电压控制或电流控制都有效。过零检测技术适用于速度接近零时不需要闭环操作的多种应用，它尤其适合在风扇和泵中的应用。假设速度大于零，则每个电周期中某相的BEMF 为零的位置只有两个，可以通过图2 中所示通过过零点时BEMF 的斜率来区分这些位置。
每一段对应电周期中的一个60°部分（共有六个相等的60°部分）。（段的编号完全任意，但要与整个软件中使用的编号匹配。）换相发生在每一段的边界处。因此，需要检测段的边界。BEMF 过零点和需要换相的位置之间有30°的偏移，必须对其进行补偿，以确保电机
平稳高效运转。

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支持国产变频

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发表于：2008-07-31 20:53:59

1楼

呵呵！好贴，无位置传感器还没有做过这样的项目，原来做过的都是带位置传感器

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建敏

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发表于：2008-07-31 20:57:27

2楼

学习好帖~~

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五代重歼

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发表于：2008-08-01 10:18:36

3楼

与有刷直流电机相比，BLDC电机具有很多有点，也有一些缺点。BLDC 电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。与同体积的无刷直流电机和感应电机相比，BLDC电机能产生更大的输出功率。转子用永磁体制成，转子惯性较小，这就改进了加速和减速特性，缩短了工作周期。其线性的转速/转矩特性有助于预测转速调节的结果。以下是BLDC电机和有刷直流电机和感应电机之间的比较。