無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的位置估計(jì)方法可以從5個(gè)方面來論述：反電動(dòng)勢(shì)法、電流法、狀態(tài)觀測(cè)器法、人工智能法和磁鏈法。這幾種方法的研究相對(duì)比較成熟，且都已得到一定程度的應(yīng)用。CW32生態(tài)社區(qū)在方波控制的相關(guān)應(yīng)用和Demo中多使用反電動(dòng)勢(shì)法，因此，重點(diǎn)講述反電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)。

一、反電動(dòng)勢(shì)法

無刷直流電機(jī)中，受定子繞組產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)子沿著一定的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)定子上放有電樞繞組，因此，轉(zhuǎn)子一旦旋轉(zhuǎn)，就會(huì)在空間形成導(dǎo)體切割磁力線的情況，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，導(dǎo)體切割磁力線會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。所以，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，即運(yùn)動(dòng)電勢(shì)，一般稱為反電動(dòng)勢(shì)或反電勢(shì)。

對(duì)于稀土永磁無刷直流電機(jī)，其氣隙磁場(chǎng)波形可以為方波，也可以是梯形波或正弦波，與永磁體形狀、電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)和磁鋼充磁等有關(guān)，由此把無刷直流電機(jī)分為方波電機(jī)和正弦波電機(jī)。對(duì)于徑向充磁結(jié)構(gòu)，稀土永磁體直接面對(duì)均勻氣隙，由于稀土永磁體的取向性好，所以可以方便地獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場(chǎng)，對(duì)于方波氣隙磁場(chǎng)的電機(jī)，當(dāng)定子繞組采用集中整距繞組，即每極每相槽數(shù)q＝1 時(shí)，方波磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電勢(shì)為梯形波，如圖1 所示。

圖1方波氣隙磁場(chǎng)與梯形波反電勢(shì)

對(duì)于兩相導(dǎo)通星形連接、三相六狀態(tài)控制的無刷直流電機(jī)，方波氣隙磁密在空間的寬度應(yīng)大于120°電角度，在定子繞組中感應(yīng)的梯形波反電勢(shì)的平頂寬也應(yīng)大于 120°電角度。方波無刷直流電機(jī)一般采用方波電流驅(qū)動(dòng)，即與 120°導(dǎo)通型逆變器相匹配，由逆變器向方波電機(jī)提供三相對(duì)稱的、寬度為 120°電角度的方波電流。方波電流應(yīng)與反電勢(shì)相位一致或位于梯形波反電勢(shì)的平頂寬度范圍內(nèi)，這樣才滿足“最佳換相邏輯”[10]。

當(dāng)BLDCM 的某相繞組反電勢(shì)過零時(shí)，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線恰好重合，因此只要檢測(cè)到各相繞組反電勢(shì)的過零點(diǎn)，就可獲知轉(zhuǎn)子的若干個(gè)關(guān)鍵位置，再根據(jù)這些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，做相應(yīng)的處理后控制 BLDCM 換相，實(shí)現(xiàn) BLDCM 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是“反電勢(shì)法”BLDCM 控制。

從圖1中可以看出wt=30°電角度為A相反電勢(shì)過零點(diǎn)時(shí)刻，控制電路檢測(cè)到這一時(shí)刻，延時(shí)30°電角度，到60°電角度時(shí)切換到A相導(dǎo)通，A相導(dǎo)通120°電角度后，到 180°電角度時(shí)關(guān)斷A相，切換到B相導(dǎo)通。依此類推，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且滿足“最佳換相邏輯”。

無刷直流電機(jī)繞組反電勢(shì)的過零點(diǎn)嚴(yán)格的反映轉(zhuǎn)子磁極位置，因此，只要能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)到繞組反電勢(shì)的過零點(diǎn)信號(hào)，就可以判斷出轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置，經(jīng)過30電角度延時(shí)處理后，就可以作為繞組的換相時(shí)刻，再根據(jù)功率管的導(dǎo)通順序觸發(fā)相應(yīng)的功率管，就能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機(jī)的換相操作，保證電機(jī)按固定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣可以保證電機(jī)換相滿足“最佳換相邏輯”，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無感反電勢(shì)電機(jī)運(yùn)行的具體實(shí)現(xiàn)方法詳見社區(qū)開源案例。

為了確定電機(jī)轉(zhuǎn)速和反電勢(shì)大小的關(guān)系，同時(shí)為無位置傳感器電機(jī)的“三段式”起動(dòng)技術(shù)提供理論依據(jù)，這里來推導(dǎo) BLDCM 反電勢(shì)的計(jì)算公式，分析無刷直流電機(jī)的反電勢(shì)特性。

為了便于分析，公式推導(dǎo)過程中忽略開關(guān)管動(dòng)作的過渡過程和電樞繞組的電感。單根導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中感應(yīng)的電勢(shì)為：

無刷直流電機(jī)的反電勢(shì)計(jì)算公式和一般直流電機(jī)相同，反電勢(shì)大小與每極磁通量及轉(zhuǎn)速有關(guān)。如保持每極磁通量不變，無刷直流電機(jī)的反電勢(shì)便和轉(zhuǎn)速成正比；反之，如保持轉(zhuǎn)速不變，無刷直流電機(jī)的反電勢(shì)將和每極磁通量成正比。從公式（8）中也可以看出，當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，反電勢(shì)為零或很小，無法利用繞組反電勢(shì)獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，電機(jī)無法自起動(dòng)。因此“反電勢(shì)法”無刷直流電機(jī)控制必須采用其他方法來使電機(jī)起動(dòng)，這將在后面章節(jié)中作詳細(xì)介紹。

二、其它檢測(cè)方法

電流法

直接反電動(dòng)勢(shì)法是通過測(cè)量三相繞組的端點(diǎn)電位及與中性點(diǎn)間的電壓來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)某端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時(shí)，則認(rèn)為此刻該相反電動(dòng)勢(shì)過零，再延時(shí)30個(gè)電角度去觸發(fā)功率開關(guān)管進(jìn)行換向。

由于端電壓檢測(cè)受速度變化、電機(jī)換向、低通濾波以及定子電阻電感存在的干擾，使得依賴端電壓的測(cè)量來估算轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的準(zhǔn)確性和精確性都受到不同程度的影響。而這些因素對(duì)電流的影響相對(duì)較小。與之對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了根據(jù)電機(jī)相電流信號(hào)來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息，進(jìn)而控制無刷直流電機(jī)的換向方法，如直接電流檢測(cè)法、電流變化率檢測(cè)法和續(xù)流二級(jí)管法等。這種控制方法的精確性受處理器速度和功率管開關(guān)頻率的限制，容易造成電流和反電動(dòng)勢(shì)不同相位運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)故障。

狀態(tài)觀測(cè)器法

用卡爾曼濾波器估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度的方法最早是由M.Schroedl于1988年提出的。根據(jù)卡爾曼狀態(tài)方程，應(yīng)用電機(jī)測(cè)量電壓和測(cè)量電流就可得到轉(zhuǎn)子位置的初步估測(cè)。根據(jù)這種方法來預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度時(shí)，其運(yùn)行范圍主要受電壓、電流傳感器的測(cè)量精度來確定。

人工智能方法

人工智能技術(shù)具備一定的智能行為，能夠產(chǎn)生合適的求解問題的響應(yīng)。隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展和研究的深入，很多學(xué)者已經(jīng)嘗試著將人工智能的方法應(yīng)用于電機(jī)控制中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能控制的一個(gè)方向，它具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力，因此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無刷直流電機(jī)控制中進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算和位置估算是很自然的一步。用這種方法預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置時(shí)，運(yùn)行范圍主要受電壓和電流的檢測(cè)精度影響。

磁鏈法

通過建立不依賴于轉(zhuǎn)子速度但是和轉(zhuǎn)子磁鏈直接相關(guān)的磁鏈函數(shù)來獲得轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)。該函數(shù)在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)6個(gè)峰值，通過檢測(cè)峰值來獲得轉(zhuǎn)子的換相信號(hào)，可保證電機(jī)在 470～35000r/min范圍內(nèi)有效運(yùn)行。類似的檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法，如在永磁轉(zhuǎn)子的表面粘貼一些非磁性材料，利用定子繞組高頻開關(guān)工作時(shí)非磁性材料的渦流效應(yīng)，使開路相電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置角發(fā)生變化，從而可通過檢測(cè)開路相電壓來判斷轉(zhuǎn)子位置。這種方法完全排除了使用反電勢(shì)，因而能保證起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)可靠地工作。