無傳感器無刷直流電機控制原理

無傳感器無刷直流電機控制原理

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

圖1 是無刷直流電機的電路原理圖［3］。

采用二相導通星形三相六狀態控制策略時，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，只要轉子在合適的位置及時準確地切換相應的開關管進行換流，電機就能平穩旋轉并獲得最大的轉矩。
1.1 無位置傳感器無刷直流電機位置檢測方法選擇無位置傳感器無刷直流電機控制的一個關鍵點就是電機轉子位置信息的檢測與估計。作者在設計中使用了反電動勢過零法［4］對轉子位置進行檢測。該方法具有線路簡單、技術成熟、成本低廉等優點，當然也存在電機不轉及轉速很低時反電勢無法檢測的缺點。對于這些不足，作者使用了軟件優化等方法予以克服。反電勢過零法的工作原理如圖2 所示，在任何時刻，電動機三相繞組只有兩相導通，每相繞組正反相分別導通120o電角度。通過測量三相繞組端子及中性點相對于直流母線負端（或正端）的電位，當某端點電位與中性點電位相等時，則此時刻該相繞組反電動勢過零，再過30o電角度就必須對功率器件進行換相。據此可設計過零檢測及移相（或定時）電路，從而得到全橋驅動6 個功率器件的開關順序。

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

1.2 PWM調制方式的選擇
從圖2 可見，永磁無刷直流電機每1 個周期由6個60o的扇區組成，每個元件導通120o，即在兩個連續的扇區中導通。因此有半橋載波和全橋載波兩種PWM 調制方式。對于永磁直流電機而言，無論是上半橋載波還是下半橋載波，截止相都會產生續流，導致其余兩相電流產生波動，電機轉速越高，相應的波動也就越大。而采用全橋載波，則始終有兩相導通，截止相不會產生續流，電流波動和轉矩脈動都較小。但全橋載波時功率管的開關損耗是半橋載波方式的2 倍。目前，已經有很多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 都是優于軟件PWM 的。

1.3 啟動策略
啟動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域。因此，作者在設計中使用了軟件啟動法。在電機靜止和低速運行時，其反電勢為零或極低，無法檢測，因此采用外同步起動的方法。在電機起動時，先在某相加電壓，然后檢測過零點；若檢測到過零點，就提前切換；如果檢測不到就延時一段時間再切換。以此來使電機轉速逐漸升高，當反電勢足夠大時，則進入正常運轉方式。