无刷直流电机无位置传感器的矢量控制

赵天剑　王林莉　采长涛

【摘 要】矢量控制的无位置传感器无刷直流电机的应用越来越多，在工业与商业领域的地位日渐提高。无刷直流电动机的控制关键就是转子位置的获取，本文研究无位置传感器的反电动势过零检测法优点突出，并结合矢量控制，能使无刷直流电机稳定高速运行，实际应用价值极高。

【關键词】无刷直流电机；矢量控制；无位置传感器

0 绪论

现如今的电机发展历程中，无刷直流电机（BLDC）进步迅速且应用广泛。BLDC在家用电器、汽车工业、航空航天、医疗设备、工业4.0等众多领域有着出色的表现。

根据工作特性的不同，无刷直流电机可以分为两类：

（1）矩形波同步电机，顾名思义，它的反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，它就是所要讨论的BLDC。这种无刷直流电机有拥有刷直流电机的各种运行优点，比如启动和调速性能好，调速范围广而平滑，过载能力强等，并且有效地克服了有刷直流电机换向困难损耗大的缺点。

（2）正弦波同步电机，此电机虽然依然是利用直流电供电，但是它需要通过逆变器先将直流转换为交流，再供给电机使用，是具有交流特性的无刷直流电机。

1 无位置传感器的位置检测

无刷直流电机的位置检测是其极其重要的一个环节，关系到BLDC的稳定工作，是组成BLDC系统的三大部分之一，也是跟有刷电机相区别的主要标志，它的目的是把转子的位置信号进行检测并转化为电信号，为控制电路提供换向信息，从而控制定子绕组依次以正确的方式通电，来带动转子持续稳定地旋转。

1.1 有位置传感器的位置检测方法

光电式位置传感器的原理是光电效应，可以利用衍射、投射、反射、折射等现象来测量位移、角速度，可以不跟被测对象直接接触，因而不存在摩擦等外部干扰。将它安装在BLDC转子的遮光部分，再在定子上安装稳定的光源，即可测得所需的信号，信号经整形后可使用，缺点是价格昂贵且适应力不强。

电磁式位置传感器是针对测速齿轮设计的发电型传感器，利用的是电磁感应原理，把被测量在导体中感生的磁通量变化转换出输出信号变化。它输出的信号大，只要经过整流以后便可控制，抗干扰性强，在恶劣环境中也能正常使用，缺点是不适合转速过高的情况。

磁敏式位置传感器用的最多的就是通常所说的霍尔传感器，依据的是霍尔效应原理，是在有位置传感器的BLDC中应用最广泛的，它对环境适应能力强，成本也比较低，精度高，性能好。

1.2 无位置传感器的位置检测方法

BLDC如安装了位置传感器不但会增大电机的体积，制作成本提高了，而且会使其的可靠性变低，所以无位置传感器的BLDC应用变得广泛起来。它一般分为两个类别，分别应用于高速和低速两种情况。

一般情况下，在一个电度角周期中，为了使转子产生最大平均转矩，会有6种换向状态，这种方法是通过测量不导通相的端电压，将其与中点电压相比，从而可以获取反电动势过零点。但是如果对象是小电枢电感的BLDC，绕组的中点电压就会变得难以准确获取，所以经常被使用的是虚拟中点电压法。

2 无刷直流电机的工作原理及数学模型

2.1 工作原理

对于有刷直流电机，拥有旋转电枢和固定磁场，但是对于BLDC来说，是旋转的磁场和固定的电枢，晶闸管、晶体管等功率开关器件可以与外部的电枢相连接。

无刷直流电机采取的是电子换向方式，可以用位置传感器测得转子的精确位置，然后改变定子电枢的通电方式进行换向，来使得电机平稳运行，当然也有无位置传感器的控制方式。

2.2 运行特性

通过输入电功率，从而输出机械功率，是对电机最基本的要求，所以转矩和转速是最重要的数据，因而就要知道转矩和转速的变化规律，所以讲其运行特性分为起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。

2.3 BLDC数学模型和矢量控制原理

无刷直流电机的反电动势波形为正弦波时，电子与转子之间的参数难以得到精确的数据，所以就需要建议BLDC数学模型。在建立数学模型时，需要把电机的磁路看做线性磁路，对磁路饱和、磁滞以及涡流影响忽略不计。转子由永磁体构成，定子是一组三相对称的线圈绕组，三者之间距离为120°的电角度。本文研究的BLDC为正弦波同步电机，电动势与反电动势均为正弦波，按正弦规律变化，对高次谐波磁势忽略不计。

一般情况下，矢量控制在两种坐标系下进行，静止坐标系和旋转坐标系。其中，Park变换是两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换。

另外一种就是三相静止坐标系到两相静止坐标系的Clark变换，因为磁势分布和功率是不变的，所以两者之间的磁势相等。

3 结论

本文对于无位置传感器的BLDC进行了详尽的研究，使用矢量控制的方法对于控制此电机具有优异的效果，系统控制的实时性和可靠性大大增强，能使得电机工作过程中稳定高速运行，且功耗较低，具有很高的应用价值。

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[责任编辑：朱丽娜]