外转子无刷直流电机无位置传感控制技术研究
姜卫东 赵勇 邢栋 汪正玲
合肥工业大学电气与自动化工程学院(230009)
Outer Rotor Brushless DC Motor Based On sensorless control technology
Jiang Wei-dong, Zhao Yong, Xing Dong, Wang Zheng-ling
(School of Electrical Engineering & automation, Hefei University of Technology)
摘要：随着无刷直流永磁电动机的广泛应用，无位置传感控制技术也日益成为无刷直流电机控制领域一个重要的研究方向，特别是“反电势法”已成为在实际应用中最为广泛和成熟的无位置传感控制方法。本文在详细介绍传统“反电势法”无位置传感控制技术的基础上，提出了一种改进的“反电势法”。此种方法检测转子位置准确、电机可调速范围宽，最后通过搭建实验平台验证了此方法的正确性和可行性。
关键词：无刷直流电机；无位置传感；反电势法
Abstract ： With the brushless DC motor(BLDCM) widely used, the sensorless control technology is increasingly becoming an important research area, especially the back-EMF method has become the most widely used in practical applications. This paper describes the traditional back-EMF control with sensorless in detail and proposed a modified back-EMF method. This method accurately detect the rotor position and the motor speed range. Finally, builded the experimental platform to validated this method is correct and useful.
Keywords ：BLDCM; Position sensorless; Back-EMF
0 引言
无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行[1]。传统的位置传感器件如霍尔元器件、旋转变压器等需要装配在电机内部来检测转子位置信号，由于外转子电机特殊的结构设计，使安装和维修都极其的不方便。因此无刷直流电机无位置传感技术的研究日益受到人们的关注，而反电势法是诸多无位置传感控制技术中比较成熟的一种方法，本文提出的改进的反电势法所需的硬件简单，控制精确、稳定，通过实际的实验证明该方法是正确、有效的。
图1：无刷直流电机控制原理框图
1 无刷直流电机运行原理
本文以星形连接、两两导通三相六状态无刷直流电机为研究对象，图1为无刷直流电机控制原理框图，逆变器件以PWM 调制方式工作，控制器以 Freescale 56F8013为核心。
对于三相六状态120°导通方式，各功率管的导通顺序是S 0S 3、S 0S 5、S 2S 5、S 2S 1、S 4S 1、S 4S 3，当导通功率管S 0S 3时，电流经S 0管从A 相流入，从B 相流出，经S 3管回到电源的负母线，此时在电机定子绕组中产生旋转磁场，使转子旋转，这样在上述六个状态的循环轮流导通下，转子不断的连续旋转。改变各功率管的导通顺序就可以改变电机的旋转方向。
2 “反电势法”位置检测的实现
2.1 “反电势法”BLDCM 控制原理
无刷直流电机中，受定子绕组电流合成磁场的作用，转子沿着一定的方向连续转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产生感应电势。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，由于该电势方向与绕组中电流的方向相反，因此将其称之为反电动势，简称反电势(BEMF ) 。对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形一般为方波，其理想波形如下图所示[2]：
B 0
α
图2：方波气隙磁场分布
对于方波气隙磁场的电机，当定子绕组采用集中
整距绕组，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波，如图3所示[2]：
e ωt
图3：梯形波反电势与方波电流
在不考虑其他因素的情况下，反电势过零点出现后的π／6电角度即是无刷直流电机的换相时刻。理想状态下无刷直流电机三相反电势波形图如图4所示：
图4：理想状态下无刷直流电机三相反电势波形图
由图3和图4可知，如果能够准确的检测到三相反电势的过零点信号，就可以判断出转子的位置，然后通过软件将过零点信号延时π／6电角度后，就可获得电机的换相信号，根据换相信号导通相应的功率管就可以实现无刷直流电机的换相，驱动无刷直流电机的正常运转。此即为反电势过零点法实现的依据。
2.2 传统“反电势法”控制原理
传统的“反电势法”是将电机的三相相电压进行分压和低通滤波，滤除PWM 斩波、换相毛刺、电抗电势等干扰信号，然后与虚拟中性点进行比较，获得三相反电势的过零点信号，传统的“反电势法”过零检测电路如图5所示。
图5：传统“反电势法”过零检测原理框图
传统“反电势法”方法原理和检测电路都比较简单，因而较容易实现。但是在开关管高频PWM 时，容易引入很高的共模电压和高频噪声，且由于引入了低通滤波易使在不同的转速下产生不同的信号移相，位置检测不准确。并且由于在转速较低时反电势很小的情况下，检测电路很难准确的检测出反电势过零点，所以电机的调速范围有一定的限制。
2.2 改进的“反电势法”控制原理
改进的“反电势法”与传统“反电势法”控制原理是相同的，都是检测反电势过零点信号，只不过它将传统“反电势法”中的分压电阻改为反并的二极管，通过二极管的正相导通、反相截止原理可以准确的将绕组反电势过零点检测出来，检测原理图如图6所示，图中R 为串入的限流电阻，r 为电机内阻。
图6：改进的“反电势法”过零检测原理框图
将分压电阻改为反并的二极管后，可以不用考虑在不同反电势下的电阻分压比，流入比较器的电压始终是一个二极管的压降，避免了因为反电势电压变化而带来的比较精度不准确的误差。而传统的“反电势法”阻值分压比一般是按照最高反电动势来设计的，这就不可避免的出现在转速低、反电势小的情况下位置检测难实现、不准确的问题，而采用的反并二极管可以很好的避免这个问题，在很低转速下都可以准确的实现位置检测的功能，所以可以实现大范围的调速功能，转速为n=40r/min的实测的三相检测信号如图7所示。需要注意的是，在实际的实验过程中发现在串入反并的二极管后，由于二极管压降的存在会导致检
测到的位置信号比过零点信号滞后一个固定的电角度，在软件延时时需要做一定的补偿。
图7：转速为40r/min下实测的三相检测信号
4 系统软件的设计
由于本控制系统采用的是无位置传感器设计方案，因此检测电路正确及时的检测到转子位置信号是非常重要的。系统的程序设计思想主要分为转子定位、开环启动、闭环控制三个步骤。电机的启动是通过发固定脉冲，按逆时针转动方向轮流的导通开关管使电机旋转，当获得电机的过零点信号后电机切换为自同步运行，实现电流转速双闭环，驱动电机稳定工作，主程序流程图如图8所示：
图8：主程序流程图
5 实验结果
以一台额定电压三相380V 、额定功率1.7kw 、额定转速1200r/min、额定转矩14N.M ，八极外转子无刷直流电动机为样机进行了实验，利用MAGTROL 测功机给无刷直流电机做负载性试验，通过实验证明采用上述无位置传感控制技术，电机系统起动平稳，无振动和失步现象，调速范围为20r/min~1200r/min，样机和控制器测试平台以及实验波形如下图所示：
图8：样机和控制器测试平台
图9：三相检测信号与反电势波形
图9：电机空载运行时电流波形
Element Structural Analysis, Finite Element in Analysis and Design, The Int.J.of Applied Finite Element System & Computer Aided Engineer, Vol.12,DEC.,1992.
[7] 黄平林, 胡虔生, 余莉. 集中绕组永磁无刷直流电机电枢
反应及绕组电感的解析计算[J]. 中国电机工程学报, 2005,
图10：电机额定负载运行时电流波形
6 结束语
实验过程中观测到的波形与理论分析基本符合一致。由实验结果可以看出，整个控制系统较好的实现了对无位置传感器无刷直流电机的启动和稳定调速，电机在满载情况下的运行情况也比较理想。无位置传感器无刷直流电机可在恶劣的工作环境下工作，受干扰比较小，可靠性高，成本较低，具有广阔的市场前景。
参考文献
[1] 黄玉, 王剑, 陈瑜. 无刷直流电机的新型转子位置检测方法
[J].山东大学学报(工学版),2003,33(3):287-291. [2] 郑许峰. “直接反电势法”无刷直流电机控制系统的设
计和研究[D]:[硕士学位论文].南京:东南大学,2006. [3] 陈新. 吴崇理编著.DSP56800E 控制器原理及其应用 电
子工业出版社.2007(7)
[4] 王兴华, 励庆孚等. 永磁无刷直流电机空载气隙磁场和绕
组反电势的解析计算[J].中国电机工程学报, 2003, 3(23); 126-130
Wang Xinghua, Li Qingfu, et al.Analytical
Calculation of no-load air-gap magnetic field and banck electromotive force in brushless DC motor[J]. Proceeding of the CSEE, 2003, 3(23); 126-130(in Chinese)
[5] 小型无刷直流电动机振动与噪声的研究[J].中国电机工
程学报,2006,24(26);148-151
Chen Lei, Gao Hong-wei, Chai Feng et al. Research on
the vibration and noise of the minitype brushless DC motor[J].
Proceeding
of
the
CSEE,
2006,24(26);148-151(in Chinese)
[6] A.O.Cifuentes and A. Kalbag, A Performance Study of
Tetrahedral and Hexahedral Elements in 3-D Finite
25(12): 127-132.
Huang Pinglin, Hu Qiansheng, Yu Li. Analytical prediction
of the armature reaction and winding inductance of permanent magnet brushless DC motor with concentrated coils[J]. Proceedings of the CSEE,2005,25(12);127-132(in
Chinese)
[8] Yamazaki K. A Quasi formulation for analyzing
characteristics of induction motors with skewed slots[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1998, 34(5): 3624-3627
[9] Valtonen M S M,Parviaiene D S A,Pyrh ānen J.
Electromagnetic filed analysis of 3D structure of axial-flux
solid-rotor
induction
motor[C].
International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives,Automation and Motion, Taormina, Italy, 2006.
[10] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M] . 北京: 机械工
业出版社, 1997.
Tang Renyuan. Modern Permanent Magnet Machines
Theory And Design [M]. BeiJing: Mechanical Industry Press, 1997.(in Chinese)
作者简介:
姜卫东（1976-），男，副教授，博士、博士后，研方向为电力电子与电力传动技术、电机设计、多电平技术等。
赵勇（1985-），男，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为电机与电器。 Email:[email protected]
外转子无刷直流电机无位置传感控制技术研究
姜卫东 赵勇 邢栋 汪正玲
合肥工业大学电气与自动化工程学院(230009)
Outer Rotor Brushless DC Motor Based On sensorless control technology
Jiang Wei-dong, Zhao Yong, Xing Dong, Wang Zheng-ling
(School of Electrical Engineering & automation, Hefei University of Technology)
摘要：随着无刷直流永磁电动机的广泛应用，无位置传感控制技术也日益成为无刷直流电机控制领域一个重要的研究方向，特别是“反电势法”已成为在实际应用中最为广泛和成熟的无位置传感控制方法。本文在详细介绍传统“反电势法”无位置传感控制技术的基础上，提出了一种改进的“反电势法”。此种方法检测转子位置准确、电机可调速范围宽，最后通过搭建实验平台验证了此方法的正确性和可行性。
关键词：无刷直流电机；无位置传感；反电势法
Abstract ： With the brushless DC motor(BLDCM) widely used, the sensorless control technology is increasingly becoming an important research area, especially the back-EMF method has become the most widely used in practical applications. This paper describes the traditional back-EMF control with sensorless in detail and proposed a modified back-EMF method. This method accurately detect the rotor position and the motor speed range. Finally, builded the experimental platform to validated this method is correct and useful.
Keywords ：BLDCM; Position sensorless; Back-EMF
0 引言
无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行[1]。传统的位置传感器件如霍尔元器件、旋转变压器等需要装配在电机内部来检测转子位置信号，由于外转子电机特殊的结构设计，使安装和维修都极其的不方便。因此无刷直流电机无位置传感技术的研究日益受到人们的关注，而反电势法是诸多无位置传感控制技术中比较成熟的一种方法，本文提出的改进的反电势法所需的硬件简单，控制精确、稳定，通过实际的实验证明该方法是正确、有效的。
图1：无刷直流电机控制原理框图
1 无刷直流电机运行原理
本文以星形连接、两两导通三相六状态无刷直流电机为研究对象，图1为无刷直流电机控制原理框图，逆变器件以PWM 调制方式工作，控制器以 Freescale 56F8013为核心。
对于三相六状态120°导通方式，各功率管的导通顺序是S 0S 3、S 0S 5、S 2S 5、S 2S 1、S 4S 1、S 4S 3，当导通功率管S 0S 3时，电流经S 0管从A 相流入，从B 相流出，经S 3管回到电源的负母线，此时在电机定子绕组中产生旋转磁场，使转子旋转，这样在上述六个状态的循环轮流导通下，转子不断的连续旋转。改变各功率管的导通顺序就可以改变电机的旋转方向。
2 “反电势法”位置检测的实现
2.1 “反电势法”BLDCM 控制原理
无刷直流电机中，受定子绕组电流合成磁场的作用，转子沿着一定的方向连续转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产生感应电势。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，由于该电势方向与绕组中电流的方向相反，因此将其称之为反电动势，简称反电势(BEMF ) 。对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形一般为方波，其理想波形如下图所示[2]：
B 0
α
图2：方波气隙磁场分布
对于方波气隙磁场的电机，当定子绕组采用集中
整距绕组，方波磁场在定子绕组中感应的电势为梯形波，如图3所示[2]：
e ωt
图3：梯形波反电势与方波电流
在不考虑其他因素的情况下，反电势过零点出现后的π／6电角度即是无刷直流电机的换相时刻。理想状态下无刷直流电机三相反电势波形图如图4所示：
图4：理想状态下无刷直流电机三相反电势波形图
由图3和图4可知，如果能够准确的检测到三相反电势的过零点信号，就可以判断出转子的位置，然后通过软件将过零点信号延时π／6电角度后，就可获得电机的换相信号，根据换相信号导通相应的功率管就可以实现无刷直流电机的换相，驱动无刷直流电机的正常运转。此即为反电势过零点法实现的依据。
2.2 传统“反电势法”控制原理
传统的“反电势法”是将电机的三相相电压进行分压和低通滤波，滤除PWM 斩波、换相毛刺、电抗电势等干扰信号，然后与虚拟中性点进行比较，获得三相反电势的过零点信号，传统的“反电势法”过零检测电路如图5所示。
图5：传统“反电势法”过零检测原理框图
传统“反电势法”方法原理和检测电路都比较简单，因而较容易实现。但是在开关管高频PWM 时，容易引入很高的共模电压和高频噪声，且由于引入了低通滤波易使在不同的转速下产生不同的信号移相，位置检测不准确。并且由于在转速较低时反电势很小的情况下，检测电路很难准确的检测出反电势过零点，所以电机的调速范围有一定的限制。
2.2 改进的“反电势法”控制原理
改进的“反电势法”与传统“反电势法”控制原理是相同的，都是检测反电势过零点信号，只不过它将传统“反电势法”中的分压电阻改为反并的二极管，通过二极管的正相导通、反相截止原理可以准确的将绕组反电势过零点检测出来，检测原理图如图6所示，图中R 为串入的限流电阻，r 为电机内阻。
图6：改进的“反电势法”过零检测原理框图
将分压电阻改为反并的二极管后，可以不用考虑在不同反电势下的电阻分压比，流入比较器的电压始终是一个二极管的压降，避免了因为反电势电压变化而带来的比较精度不准确的误差。而传统的“反电势法”阻值分压比一般是按照最高反电动势来设计的，这就不可避免的出现在转速低、反电势小的情况下位置检测难实现、不准确的问题，而采用的反并二极管可以很好的避免这个问题，在很低转速下都可以准确的实现位置检测的功能，所以可以实现大范围的调速功能，转速为n=40r/min的实测的三相检测信号如图7所示。需要注意的是，在实际的实验过程中发现在串入反并的二极管后，由于二极管压降的存在会导致检
测到的位置信号比过零点信号滞后一个固定的电角度，在软件延时时需要做一定的补偿。
图7：转速为40r/min下实测的三相检测信号
4 系统软件的设计
由于本控制系统采用的是无位置传感器设计方案，因此检测电路正确及时的检测到转子位置信号是非常重要的。系统的程序设计思想主要分为转子定位、开环启动、闭环控制三个步骤。电机的启动是通过发固定脉冲，按逆时针转动方向轮流的导通开关管使电机旋转，当获得电机的过零点信号后电机切换为自同步运行，实现电流转速双闭环，驱动电机稳定工作，主程序流程图如图8所示：
图8：主程序流程图
5 实验结果
以一台额定电压三相380V 、额定功率1.7kw 、额定转速1200r/min、额定转矩14N.M ，八极外转子无刷直流电动机为样机进行了实验，利用MAGTROL 测功机给无刷直流电机做负载性试验，通过实验证明采用上述无位置传感控制技术，电机系统起动平稳，无振动和失步现象，调速范围为20r/min~1200r/min，样机和控制器测试平台以及实验波形如下图所示：
图8：样机和控制器测试平台
图9：三相检测信号与反电势波形
图9：电机空载运行时电流波形
Element Structural Analysis, Finite Element in Analysis and Design, The Int.J.of Applied Finite Element System & Computer Aided Engineer, Vol.12,DEC.,1992.
[7] 黄平林, 胡虔生, 余莉. 集中绕组永磁无刷直流电机电枢
反应及绕组电感的解析计算[J]. 中国电机工程学报, 2005,
图10：电机额定负载运行时电流波形
6 结束语
实验过程中观测到的波形与理论分析基本符合一致。由实验结果可以看出，整个控制系统较好的实现了对无位置传感器无刷直流电机的启动和稳定调速，电机在满载情况下的运行情况也比较理想。无位置传感器无刷直流电机可在恶劣的工作环境下工作，受干扰比较小，可靠性高，成本较低，具有广阔的市场前景。
参考文献
[1] 黄玉, 王剑, 陈瑜. 无刷直流电机的新型转子位置检测方法
[J].山东大学学报(工学版),2003,33(3):287-291. [2] 郑许峰. “直接反电势法”无刷直流电机控制系统的设
计和研究[D]:[硕士学位论文].南京:东南大学,2006. [3] 陈新. 吴崇理编著.DSP56800E 控制器原理及其应用 电
子工业出版社.2007(7)
[4] 王兴华, 励庆孚等. 永磁无刷直流电机空载气隙磁场和绕
组反电势的解析计算[J].中国电机工程学报, 2003, 3(23); 126-130
Wang Xinghua, Li Qingfu, et al.Analytical
Calculation of no-load air-gap magnetic field and banck electromotive force in brushless DC motor[J]. Proceeding of the CSEE, 2003, 3(23); 126-130(in Chinese)
[5] 小型无刷直流电动机振动与噪声的研究[J].中国电机工
程学报,2006,24(26);148-151
Chen Lei, Gao Hong-wei, Chai Feng et al. Research on
the vibration and noise of the minitype brushless DC motor[J].
Proceeding
of
the
CSEE,
2006,24(26);148-151(in Chinese)
[6] A.O.Cifuentes and A. Kalbag, A Performance Study of
Tetrahedral and Hexahedral Elements in 3-D Finite
25(12): 127-132.
Huang Pinglin, Hu Qiansheng, Yu Li. Analytical prediction
of the armature reaction and winding inductance of permanent magnet brushless DC motor with concentrated coils[J]. Proceedings of the CSEE,2005,25(12);127-132(in
Chinese)
[8] Yamazaki K. A Quasi formulation for analyzing
characteristics of induction motors with skewed slots[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1998, 34(5): 3624-3627
[9] Valtonen M S M,Parviaiene D S A,Pyrh ānen J.
Electromagnetic filed analysis of 3D structure of axial-flux
solid-rotor
induction
motor[C].
International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives,Automation and Motion, Taormina, Italy, 2006.
[10] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M] . 北京: 机械工
业出版社, 1997.
Tang Renyuan. Modern Permanent Magnet Machines
Theory And Design [M]. BeiJing: Mechanical Industry Press, 1997.(in Chinese)
作者简介:
姜卫东（1976-），男，副教授，博士、博士后，研方向为电力电子与电力传动技术、电机设计、多电平技术等。
赵勇（1985-），男，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为电机与电器。 Email:[email protected]