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无位置传感器无刷直流电机无反转起动方法
林明耀 张智尧 林克曼 周谷庆
（东南大学电气工程学院，南京 ２１００９６）
摘要：为了实现无位置传感器无刷直流电机的无反转起动及平滑切换，提出了一种新的无位置传感器无刷直流电机起动及切换方法．该方法依据电机定子铁芯饱和效应，采用 ６个短时电压脉冲检测转子初始位置，可将转子定位在 ６０°范围内，然后采用长短电压脉冲相结合的方式加速电机同时利用电流响应的变化动态检测转子位置，当转速上升到可以检测到反电势过零点时，关闭电机驱动电路，根据端电压波形和导通相之间的对应关系确定切换时刻，可将电机平滑切换至反电动势换相运行方式．样机试验结果验证了上述方法的可行性和有效性．
关键词：无刷直流电机；无位置传感器控制；无反转起动；反电势法；切换
无刷直流无传感器控制技术电机（BLDCM）基于反电动势（EMF）检测方法已广泛应用于工业，试用和商业领域。我们知道，大小反电动势与电动机转速成比例，所以反电动势检测方法无法适用电机处于静止或低速。为了解决这个问题已经开发出很多方法。之一他们通常被称为3步启动方法以使转子在预定方向上首先对准，然后在开环方案之前加速电机应用反电动势法。这种启动方法很容易实施，但往往受到负载的影响，一般会导致反向旋转应用程序。由于上述缺点，基于饱和效应的其他类型的启动方法定子铁开发，其中响应曲线，短时间电压脉冲下定子绕组的电流用于检测转子位置。
在本文中，短脉冲感测方法，所以基于定子铁的饱和效应和意志在启动期间不会引起任何反向旋转或振动过程，被提出来定位和加速转子。 的说明了硬件实现的结构图在图1中。 1，其中电流传感器用于放大检测电阻Ri的端电压和电阻网络用作分压器。 端子电压这反映了反电动势信息被采样集成在微控制器中的A / D转换器。
图1 驱动电路结构图
三相绕组中的两个每次都通电，并且可以动态地确定转子位置。 启动和反电动势控制过程之间的切换时刻的选择是关键点，因为不合适的切换时刻可能导致电机进入或停止。 在本文中，分析所有功率器件关闭时端子电压与换向相位之间的关系，以确定最佳切换时刻。
1 操作原理
BLDCM的定子铁具有非线性磁饱和特性。 当定子绕组通电时，建立具有固定方向的磁场，如图3所示。 如图2（a）所示，如果转子的北极方向与定子绕组的方向相同，定子绕组的电感由于定子铁的饱和效应而降低。 相反，如果转子的北极与绕组磁场的方向相反，则饱和度降低，电感相应增加。 该变化如图1所示。 2（d）我们可以看出绕组定子的电感是转子位置的函数。
图2 定子铁的饱和效应。（a）磁场合成;（b）典型的磁化曲线;（c）由于电感变化引起的电流响应;（d）定子电感与转子位置的关系
2初始转子位置检测和加速方法
基于上述操作原理，将六个电压脉冲注入相绕组中，并将响应电流的峰值相互比较以确定转子位置。
如图所示。 1，如图3（a）所示，首先激活高侧功率器件VT1和低侧功率器件VT6，其可以表示为A B - 所得的磁场由F表示，e表示高侧功率设备VT3和低侧功率器件VT4被激活，并被表示为B A -，F34表示所得的磁场。如果转子的北极与所得磁场F16的方向相同，并且与F34的方向相反，A B - 状态的响应电流的峰值大于B - A 该条件可以用二进制数1表示，相反地表示为0.因此，转子的北极位于180o内。通过使用与B C - 类似的程序，C B -，C A -和A C -，转子位置可以缩小到60o，这足够适当的换向，如图3（b）所示。这个范围可以用图4所示的三个二进制数表示。
图3 初始转子位置检测示意图。
- 定子绕组和转子位置在180度以内; （b）转子位置在60度以内
图4 开关状态图
当确定初始转子位置时，电机加速到一定速度。 先前的位置检测算法在该过程中不能有效地工作，因为在转子快速移动的换向期间难以注入6个脉冲; 另外一个原因是六个脉冲中的三个产生负转矩。
为了解决这些问题，采用由连续的短脉冲和长脉冲构成的电压脉冲串，不仅产生正转矩以加速电动机，而且还提供关于转子位置的信息。
假设转子的北极位于扇区4（100），电机逆时针旋转，此时状态A C - 和B C - 可以产生正转矩。 在图 5，短脉冲和长脉冲分别对应于A C - 和B C – 。
图5电压脉冲串和电流响应
当相同采样周期T的短电压脉冲i1的电流响应大于长电压脉冲i2的电流响应时，发生换向; 即短脉冲变为B C - ，长脉冲变为B A - 如果短脉冲的响应仍小于长脉冲的响应，则电压脉冲串保持与以前相同。
这是因为当电动机旋转时，转子的北极首先接近由短脉冲产生的磁场的方向; 越接近，电感越小，如图2（d）所示。短脉冲的电流响应在某时刻变大，超过长脉冲的电流响应。 这种现象每60°重复一次，因此可以用来确定换向时间。 重复此过程可以确保电机加速到可应用反电动势方法的速度。 实验结果如图6所示。
图6加速过程中三相端子电压
3 平滑切换方式
当电机加速到一定速度时，可以应用反电动势检测方法。为了防止电机发生振动或失步，选择合适的开关时间是非常重要的，以保证BLDCM的可靠运行。在本文中，分析了所有功率器件关断时端电压波形与换向相位之间的关系。这可以用于确定最佳切换时刻。
众所周知，由于惯性，当驱动电路关闭时，电机不会立即停止。由于转子的磁场的旋转，在定子的相绕组中产生电压，该电压随速度的降低而逐渐降低。如果我们在关断时刻之后选择一个短的时间间隔，端子电压明显不会下降，如图7所示，功率器件的关断时刻，t1是定时器启动的时刻，t2是开关时刻，t3是换向时刻。该端子电压的波形与换相相关。例如，波形的平坦部分对应于逆变器的低侧功率器件（120电度）的导通状态，突出部分的中心的120电度对应于高频电源的导通状态，逆变器的侧面功率器件和凹点对应于换向力矩。
图7 所有电源设备关闭后三相端子
基于上述分析，MCU的定时器在t1开始，在t2停止，如图3所示。 假设时间间隔为2T，则其一半等于对应于600的换向周期T.切换时刻也为t2，切换后通电的第一换向相为B A一延迟600 ，下一个换向阶段C A一次通电。
图8示出了通道1至通道3是开关过程中三相端子电压的实验波形，通道4表示上升沿仅为过零点的反电动势检测波形。 开关后的PWM调制信号占空比为50％，便于调速。
图8 开关时刻三相的端电压
4 结论
本文介绍了无传感器无刷直流电机的反向反转启动和平滑切换方法。 通过使用这种方法，可以以600的分辨率估计静止状态下的转子位置，并将电机加速到能够应用反电动势检测方法的一定速度。 驱动电路的硬件实现很简单。 只需要一个电流传感器和电阻网络。 它非常适合在低成本应用中使用。 实验结果验证了该方法的可行性和有效性。
参考文献
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无刷直流电机高性能跟踪控制的设计与实现
JeeMing Lee和Jolm Cliou
国立台北理工大学电气工程系
台湾，台北
摘要：本文介绍了无刷直流电机的高性能跟踪控制驱动器。介绍了两层自整定控制器的新颖设计理念。提出的控制结构由两个控制层组成：跟踪控制和监控。为了确保在严重干扰期间合成系统的鲁棒性，跟踪控制器使用施加的调谐延迟来限定估计的参数。移位控制算法用于在线调谐，以将信号维持在限度内。监控控制器相应地监视估计参数的合成状态，控制器的结构和电机的响应，并执行参数估计的新颖的鲁棒综合，以确保：方案的稳定性。提出的设计方案是利用Hewlett-Packard与基于PC的计算机的数字运动控制器I-ICTL1100实现的。构建无刷电动机，直流到交流逆变器和设计的控制器，以验证控制方案。仿真实验结果表明，轮胎无刷马达驱动器和控制器实现了跟踪效果和鲁棒的系统稳定性。
关键词：跟踪控制，移位控制算法，无刷电机，参数估计
一 介绍
无刷电机对驱动系统的影响越来越大。 它们具有lrigli系统的优点。 它们具有高效率和高转矩的优点，适用于驱动伺服控制技术。 无电动马达本质上是永磁同步电机，当从具有频率比例玩具的电源供电时，转子的速度具有使传统电动机的运行条件达到厘米的运行条件。 无刷电机比传统的电机有一些重要的优势：
- 总长度减小，允许电机清除; 否决小空间。
- 对于给定尺寸的电机，轴承之间的长度减小，允许更高的速度和扭矩/惯性比。
- 维护时间减少，因为没有刷子磨损
- 没有产生刷子碎屑
- 消除火花，允许电机在干净或爆炸性环境中使用，并减少射频干扰。
- 转子重量较少，因为铁芯被消除。
- 结构更灵活：通过将永磁体和线圈放置在平行平面中，可以轻松构建非常薄的电机。
因为这些属性。 无电动马达已经在各种领域找到了应用：例如 微型硬盘驱动器和软盘驱动器在电脑上。 在危险或干净的环境中运行。 并在航空航天应用中更换液压执行机构。
市面上有许多无刷直流电动机。 并有几种类型的控制器可用。 在新应用中，电机的性能要求越来越高。 必须对更复杂的控制器进行彻底测试，以验证其是否符合性能要求。 使用具有市售软件的个人计算机来实现新的控制器。
在许多应用中。 期望连续地控制电机的位置（或速度）。 作为时间的函数的期望位置（或速度）定义了电动机将跟随的轨道。 控制系统的性能是通过电机跟随轨道的距离和平稳程度来判断的。 正在努力开发控制算法，描述性能和鲁棒性。 高性能驱动系统必须由三个基本部件组成：电动马达，宽高性能的高速固态开关转换器和先进的控制器。
在这种设置中，固
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