無傳感器無刷直流電機(jī)控制原理

無傳感器無刷直流電機(jī)控制原理

目前常用的無刷直流電機(jī)控制方法可分為開環(huán)控制、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制和電壓負(fù)反饋加電流正反饋控制等3 類。其中開環(huán)控制方式適合于轉(zhuǎn)速精度要求不高的場合，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋方式適合于機(jī)械特性要求比較硬、轉(zhuǎn)速精度比較高的場合，而電壓負(fù)反饋電流正反饋方式則應(yīng)用于動(dòng)態(tài)性能要求比較高的場合。對于航模用的無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速精度要求并不很高，使用開環(huán)控制方式就可滿足要求。

圖1 是無刷直流電機(jī)的電路原理圖［3］。

采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)控制策略時(shí)，其工作過程如下：
wt = 0o 電流：電源（ + ）→T1→U→V→T4→電源（ - ）
wt = 60o 電流：電源（ + ）→T1→U→W→T6→電源（ - ）
wt = 120o電流：電源（ + ）→T3→V→W→T6→電源（ - ）
wt = 180o電流：電源（ + ）→T3→V→U→T2→電源（ - ）
wt = 240o電流：電源（ + ）→T5→W→U→T2→電源（ - ）
wt = 300o電流：電源（ + ）→T5→W→V→T4→電源（ - ）
wt = 360o電流：電源（ + ）→T1→U→V→T4→電源（ - ）
由此可看出，只要轉(zhuǎn)子在合適的位置及時(shí)準(zhǔn)確地切換相應(yīng)的開關(guān)管進(jìn)行換流，電機(jī)就能平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)并獲得最大的轉(zhuǎn)矩。
1.1 無位置傳感器無刷直流電機(jī)位置檢測方法選擇無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的檢測與估計(jì)。作者在設(shè)計(jì)中使用了反電動(dòng)勢過零法［4］對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測。該方法具有線路簡單、技術(shù)成熟、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也存在電機(jī)不轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速很低時(shí)反電勢無法檢測的缺點(diǎn)。對于這些不足，作者使用了軟件優(yōu)化等方法予以克服。反電勢過零法的工作原理如圖2 所示，在任何時(shí)刻，電動(dòng)機(jī)三相繞組只有兩相導(dǎo)通，每相繞組正反相分別導(dǎo)通120o電角度。通過測量三相繞組端子及中性點(diǎn)相對于直流母線負(fù)端（或正端）的電位，當(dāng)某端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時(shí)，則此時(shí)刻該相繞組反電動(dòng)勢過零，再過30o電角度就必須對功率器件進(jìn)行換相。據(jù)此可設(shè)計(jì)過零檢測及移相（或定時(shí)）電路，從而得到全橋驅(qū)動(dòng)6 個(gè)功率器件的開關(guān)順序。

圖2 反電勢過零法的工作原理
由電機(jī)學(xué)原理［3］可得，三相的反電勢過零檢測方程為（以U 相為例）

1.2 PWM調(diào)制方式的選擇
從圖2 可見，永磁無刷直流電機(jī)每1 個(gè)周期由6個(gè)60o的扇區(qū)組成，每個(gè)元件導(dǎo)通120o，即在兩個(gè)連續(xù)的扇區(qū)中導(dǎo)通。因此有半橋載波和全橋載波兩種PWM 調(diào)制方式。對于永磁直流電機(jī)而言，無論是上半橋載波還是下半橋載波，截止相都會(huì)產(chǎn)生續(xù)流，導(dǎo)致其余兩相電流產(chǎn)生波動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，相應(yīng)的波動(dòng)也就越大。而采用全橋載波，則始終有兩相導(dǎo)通，截止相不會(huì)產(chǎn)生續(xù)流，電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都較小。但全橋載波時(shí)功率管的開關(guān)損耗是半橋載波方式的2 倍。目前，已經(jīng)有很多MCU 具有PWM 輸出功能。使用MCU 自帶的PWM 功能不需要增加外圍電路。硬件PWM 不僅可以減少軟件編制的難度，而且從速度和精度上講，硬件PWM 都是優(yōu)于軟件PWM 的。

1.3 啟動(dòng)策略
啟動(dòng)方法分為硬件方式和軟件方式兩種。硬件方式因需要增加額外的電路，不適合于電路要求簡單的航模控制領(lǐng)域。因此，作者在設(shè)計(jì)中使用了軟件啟動(dòng)法。在電機(jī)靜止和低速運(yùn)行時(shí)，其反電勢為零或極低，無法檢測，因此采用外同步起動(dòng)的方法。在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，先在某相加電壓，然后檢測過零點(diǎn)；若檢測到過零點(diǎn)，就提前切換；如果檢測不到就延時(shí)一段時(shí)間再切換。以此來使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)反電勢足夠大時(shí)，則進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)方式。