无刷直流电机无位置传感器初始位置估算

李明

（上海交通大学 上海市 200030）

无刷直流电机无位置传感器初始位置估算

李明

（上海交通大学 上海市 200030）

无刷直流电机大多以霍尔元件、光电码盘等位置检测元件作为位置传感器，但当制作小电机时，位置传感器的弊端就很明显。对直流电机的控制还可以通过检测电机的磁链、电流和电压等物理量，再经过相应的处理间接地求得电机的转子位置，如此可以使得无刷电机的结构更加简单，可靠性进一步提高。

无刷直流电机；位置传感器

引言

无位置传感器无刷直流电机转子位置检测大多采用反电动势法，但是当电机零速时反电动势法就很难检测到转子位置，使电机启动变得困难。我们常根据定子线圈电感磁饱和效应，当定子线圈的磁场与转子磁场方向相同或不同时，电子磁阻、电感量、定子电流的变化来判断转子位置。

1 检测原理

定子线圈中通过的电流由小到增大时，定子铁芯的磁通量将逐渐增大，如果定子与转子磁通量方向一致，磁通量将不再随着电流的增加而增加，铁心进入饱和状态，定子磁阻增大，线圈的电感随饱和状态变小，定子电流变小。反之，如果定子与转子磁通量方向不一致，磁饱和现象减弱，电子磁阻变小，电感变大，定子电流变大。由于转子产生磁场的作用，如果转子旋转，定子电感则会随着转子位置的改变而规律变化，转子磁场和电子脉冲磁场对电子电感产生影响，进而产生不同的电流反馈。因为短时脉冲电压和时间由单片机给定，属于已知量，所以L与成反比。当给予定子短时脉冲后，不同的电流值对应不同的铁芯电感值，如若电流值增大则电感值L变小，反之，若电流值减小则电感值L变大。零速转子位置检测就是以此为基础的。

2 电子零速时转子定位基本步骤

（1）依据电机参数和性能选择合适的瞬时检测脉冲，按照一定的次序施加到定子绕组上，将采样电流值与位置电流值对比。假设电机为二二导通，顺时针旋转。先导通B向上半桥VT3和AC两相下半桥VT4、VT2，对电机施加某一宽度的脉冲检测电压V1，产生合成感应电动势记为F1，产生的采样电流记为I1；再导通B相下半桥VT6和AC上半桥VT1、VT5，对电机施加某一宽度的脉冲检测电压V4产生的合成感应电动势记为F2，产生的采样电流记为I4。如果I1＞I4，则认为转子N极位于磁动势V1所在的半圆呢，由此确定转子N极所在的180°电角度范围，如图1阴影部分所示。反之亦然。

图 1 180°分解

（2）同理，对电机施加脉冲检测电压V2，V6，对应的采样电流I2、I6，转子位置比较接近采样电流较大的电压矢量，如果I1大于I2和I6，则转子位置如图2阴影部分所示。

（3）如果采样电流I2大于I6，则可断定转子位置位于图6阴影部分区域，若I2小于I6，则断定转子位置位于图3部分阴影区域，反之如图4阴影区域。

（4）这样经过三步检测可得3个位置代码，如果定义顺时针方向为电动机正方向，可以得到检测位置与开关管导通次序。根据检测到的转子位置信息确定产生最大平均转矩相序，施加宽加速脉冲，转子加速。依次进行加速-检测-加速-检测，直到足够建立反电动势。

图 2 60°分解

图 3 30°分解

图 4 30°分解

3 试验结果及分析

试验平台：200W直流无刷无感电机，60MHz1GS/s数字示波器，200W12V无刷直流电机控制器，数字电路检测模块。磁极对数p=8，电机槽数为12，直流电压12V，额定转速3000r/min，每相绕组电阻1.9Ω，反电动势常数2.2mV/rad.s-1，图5为初始位置估算波形图。

仿真结果表明，采用本文所提出的无传感器方法，可以准确识别转子位置，建立开关管导通次序。

4 结论

本文利用电机转子的凸极性和电枢铁芯的磁饱和性，提出了一种基于电压脉冲注入的零速时转子初始位置估算方法。这种方法是利用永磁体转子在电压信号情况下因为磁性强度不同产生的不同电流信号，判断初始位置。通过试验和分析可得，采用本文所使用的方法可以准确判定转子位置，完成电机的起动，且不会引起振动和反转现象，起动转矩脉动有所减少。

图5 转子初始位置估算波形图

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TM341

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2016-8-19