无刷直流电机无传感器速度控制系统——文献综述

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1、文献综述题目：无传感器无刷直流电机速度控制系统设计导师：赵金、何衍作者：彭振峰日期：2012年2月26日题目：无传感器无刷直流电机速度控制系统设计TheDesignofSensorlessBrushlessDCMotorDrive摘要：随着无刷直流电机（BLDC）的应用越来越广泛，使用无传感器控制的驱动方式已经成为研究的热点和发展趋势。本文为无刷直流电机无传感器控制方式的综述，总结了无刷直流电机的无传感器控制方案研究的现状、研究方向、进展情况及存在的问题，介绍了多种无位置传感器情况下无刷直流电机的启动方式及如何利用电机运行过程中的电磁信号来获取转子位置信息，以取代位置传感

2、器的功能，达到良好的控制效果。引言：无刷直流电机具有控制方便、功率密度高、运行可靠、结构紧凑等显著优点，在伺服系统、电动车辆、机器人及家用电器等领域得到了越来越广泛的应用，但由于位置传感器带来的额外费用及无法在苛刻条件下使用等缺陷使得人们不得不开始研究无位置传感器的控制方式。无传感器控制的关键技术之一为利用电机运行过程中的电磁信号来准确推算出转子位置，完成电流换向，实现位置传感器的功能。在电机静止或者运行速度很慢的情况下，很难由微弱的电磁信号来获取准确的位置信号，因此电机的顺利启动也是一个极为关键的步骤。在过去的三十年里，各种各样构思巧妙的无传感器控制方案被相继提出，调速

3、范围也不断得到扩展。特别是近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，大量高速度高精度的微处理器、数字信号处理器（DSP）相继问世，在实时性和精度保证下，无传感器控制方案也向更加复杂更加智能的方向发展。结合了模糊控制、智能控制等先进控制方式的算法大大提高了电机控制系统的鲁棒性。国内外研究现状：1.检测及控制方案：根据不同的转子位置检测技术，无刷直流电机的无传感器控制方案可以大致分为以下几类：1.1反电动势法：理想的无刷直流电机的反电动势及驱动电流波形如图1所示：图1：无刷直流电机的反电动势及驱动电流波形常用的无刷直流电机驱动电路及其等效电路如图2所示[17]：图2：无刷直流电

4、机的驱动电路及等效电路（染色部分）1.1.1传统的反电动势检测对于使用120°导通方式的全桥驱动电路，无刷直流电机中在任何时刻都只有两相是导通的，另一相处于悬空状态，因此可以将悬空着的另一相作为传感器。KenichiHzuka等人提出了使用反电动势过零检测来实现换向的方法[1]。通过检测悬空相反电动势的过零点，并经过30°电角度的延时后，就可以得到下一个换向时刻。这是反电动势过零检测法实现换向的雏形。为了降低噪声干扰，提高检测的精度，需要使用低通滤波器来处理检测信号。另一方面，延迟30°电角度的时间与电机的转动速度有关，因此在电机加速或者减速运行时，延迟时间精确度会受到影

5、响，进而影响电机的控制性能。同时，由于低通滤波器的引入，滤波带来的延时也需要考虑。[2]中详细讨论了反电动势过零检测后的相位修正处理方法。以最常用的分压并经过电容滤波来处理检测信号为例（见图3），则由于滤波处理带来的相角移位为2πRRCf12α=arctan（1）R+R12其中f为反电动势运行频率。由式（1）可知，在不同的运行速度下，低通滤波器带来的相角移位也不同。因此，需要根据检测到的反电动势来推算出电机的运行速度，以做出准确的相位补偿。图3：RC低通滤波器由于反电动势正比于电机运转速度，在电机静止或者低速运行时，反电动势不存在或者很弱，因此增大了检测的难度，降低了检测

6、的精度，使得该无传感器控制方案在静止或者低速下无法使用。通常的无传感器控制系统中，首先并没有使用反电动势信息，而是使用另外的方法将电机启动到一定速度后才开始切换到无传感器控制方案。正是由于反电动势检测法的这些特性，电机在低速及高速情况下性能不佳，调速范围大体限制在1000-6000rpm内[3]。1.1.2续流二极管通断检测法SatoshiOgasawara和HirofumiAkagi学者提出了一种间接检测反电动势的方法，该方法大大提高了调速范围和检测精度[4]。在以120°电角度导通的Y型联结的无刷直流电机中，总有一相是开路的。为了实现对转速的控制，将PWM信号叠加到逆

7、变器的控制开关信号上，如图4所示：图4：在可变斩波控制下的驱动信号当PWM为ON状态时，即有两相被激励时（假设该两相为A相和B相），则在这两相中有电流流过；在PWM切换到OFF后的一段时间内，由于电感的作用仍然有电流流过。此时三相定子线圈的中位点的电压为1v=e（2）nc2C相端电压为3V−VCEFV=e+（3）Cc22其中V和V为开关管和续流二极管的前向压降，二者的值均很小。当V满足CEFCV<−V（4）CF时，C相低电压端的续流二极管就会导通。由于V、V电压值很小，当e略小于0时式CEFC（4）成立。通过检测该续流二极管的