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1 前言
直流電動(dòng)機(jī)因其具有良好的調(diào)速性能，較寬的調(diào)速范圍及簡單的調(diào)速方式被廣泛應(yīng)用在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中。但是有刷電機(jī)的換相器不可避免的存在換相火花、機(jī)械噪音、可維護(hù)性差等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)有刷直流電機(jī)的這些不足，直流無刷電機(jī)（BrushLess DC Motor，簡稱BLDC）應(yīng)運(yùn)而生。直流無刷電機(jī)不僅很好的彌補(bǔ)了有刷直流電機(jī)的不足，性能上也完全可以和有刷直流電機(jī)相媲美，所以越來越多的被應(yīng)用在高性能伺服及家電等領(lǐng)域。

2 無刷直流電機(jī)運(yùn)行分析
2.1 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)
下圖1為典型的電動(dòng)車用電機(jī)，

圖1 直流無刷電機(jī)

圖2給出無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體模型圖，

圖2 直流無刷電機(jī)永磁體充磁方向

無刷直流電機(jī)將永磁體粘接在轉(zhuǎn)子鐵心表面，采用集中繞組的方式，組成了隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的主磁場分步接近于梯形波，當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由主磁場切割定子繞組，在每相定子繞組中所感應(yīng)電勢的波形和主磁場基本保持一致，，為簡化分析，可以近似視其為梯形波，其平頂寬度為120°電角度，如下圖3所示，為了輸出恒定的電磁功率或轉(zhuǎn)矩，三相定子繞組必須加入六步的梯形波或方波電流。

圖3 直流無刷電機(jī)三相反電勢和電流波形

通常情況下，無刷直流電機(jī)都有三個(gè)固定在定子上的位置傳感器（一般為hall）檢測轉(zhuǎn)子相對定子的磁極位置，如圖4所示反映出通過hall信號(hào)檢測到的位置信號(hào)，圖中hall為120°安裝方式。

圖4 直流無刷電機(jī)hall位置信號(hào)

2.2 無刷直流電機(jī)工作原理
無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)不僅僅包括電機(jī)本體，還包括驅(qū)動(dòng)電路和逆變器，圖5給出電力逆變器電路，電機(jī)簡化為三個(gè)電感器件，采用Y連接；圖6給出預(yù)驅(qū)電路。

圖5 三相全橋逆變器

圖6 驅(qū)動(dòng)器預(yù)驅(qū)電路

電機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，三個(gè)hall信號(hào)通過一些處理之后給到MCU，MCU再根據(jù)得到的hall位置信息，按照一定的順序驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變器中開關(guān)器件的通斷，這樣就可以獲得六步梯形波的定子電流，使定子繞組產(chǎn)生旋變磁場，定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)速同步，這樣就會(huì)有有效的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。從原理上也可以看出，無刷直流電機(jī)的運(yùn)行換相時(shí)刻與轉(zhuǎn)子位置息息相關(guān)。

下面從轉(zhuǎn)矩角度分析直流無刷電機(jī)的運(yùn)行過程。對于直流有刷電機(jī)來說，雖然轉(zhuǎn)子在不停的旋轉(zhuǎn)，但是由于定子側(cè)的電刷位置不變，所以定子產(chǎn)生的直流勵(lì)磁磁勢和轉(zhuǎn)子側(cè)的電樞磁勢處于靜止?fàn)顟B(tài)，和也自然是相對靜止?fàn)顟B(tài)。并且由于這兩個(gè)磁勢在空間上互相垂直，確保了直流電動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，也具有良好的調(diào)速性能。而在實(shí)際應(yīng)用中，有的應(yīng)用為了方便，將直流無刷電機(jī)的永磁體移到轉(zhuǎn)子側(cè)，把電樞繞組放到定子側(cè)，定子側(cè)的三相電樞繞組是由三相全橋逆變器供電。定子繞組的供電頻率是取決于轉(zhuǎn)子位置信息的，也就是定子的供電頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是同步的，因此，定子繞組產(chǎn)生的電樞磁勢與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢相對靜止。

無刷直流電機(jī)逆變器的導(dǎo)通方式有很多種，以120°的兩兩導(dǎo)通方式對運(yùn)行過程進(jìn)行分析。120°兩兩導(dǎo)通方式滿足下面條件
A 每隔60°換相一次；
B 每個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通120°；
C 任何瞬間有兩只開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。
如上所述，開關(guān)管順序?yàn)?/span>

圖7 六步通電狀態(tài)定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢分布

上圖7反應(yīng)了定子繞組的合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁體磁勢在不同的導(dǎo)通時(shí)刻之間的空間位置關(guān)系。要使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須讓轉(zhuǎn)子磁勢和定子磁勢的軸線互相垂直；考慮到轉(zhuǎn)子磁勢軸線是連續(xù)變化的，定子磁勢的軸線是每隔60°電角度變化一次，這兩個(gè)磁勢是不能一直保持垂直的，所以為了獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩，可以讓定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢的夾角一直在60°到120°電角度變化，這樣，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢和定子繞組產(chǎn)生的電樞磁勢的夾角在平均意義上是接近90°的，也就是平均角度垂直。其實(shí)這個(gè)也是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理，只有轉(zhuǎn)子和定子磁場之間有夾角才會(huì)有力的產(chǎn)生，夾角越接近90°電磁轉(zhuǎn)矩越大（對隱極式電機(jī)來說）。

2.3 無刷直流電機(jī)的無位置啟動(dòng)
由于位置傳感器的安裝會(huì)增加額外的陳本和體積，而且會(huì)受到環(huán)境溫度濕度等影響，所以無位置傳感器（SensorLess）的控制方式越來越被大家重視。對于無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制，大家目前使用的普遍是反電勢檢測法。但是反電勢法有一個(gè)很致命的缺陷，就是在電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)和反電勢很小的低速狀態(tài)無法準(zhǔn)確得到，也就無法準(zhǔn)備得到轉(zhuǎn)子的相對位置，所以無位置傳感器直流無刷電機(jī)的啟動(dòng)一直都是難點(diǎn)。

目前應(yīng)用最多的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制方式是傳統(tǒng)的三段式：首先給逆變器一個(gè)固定的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，把定子繞組拉到一個(gè)固定的位置，然后利用強(qiáng)制換相的方式進(jìn)行開環(huán)加速運(yùn)行，當(dāng)加速到反電勢可以準(zhǔn)確得到的時(shí)刻再切換到利用反電勢估算位置的閉環(huán)運(yùn)行階段。三段式適用于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、輕載的運(yùn)行場合，在重載場合并不適用，長期的開環(huán)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失步，定子電流變大，電機(jī)無法正確有效的運(yùn)行，反電勢采樣電路如下圖8所示。

圖8 反電勢檢測電路

圖9 改進(jìn)版反電勢檢測電路

傳統(tǒng)的反電勢采樣電路在低速的時(shí)刻會(huì)存在受到擾動(dòng)及本身數(shù)值很低情況的影響采樣不準(zhǔn)確，所以可以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)一下，如上圖9所示，在低速階段，使用分壓比大的電阻檢測反電勢，同時(shí)對采樣得到的ADC進(jìn)行適當(dāng)?shù)能浖Ｗo(hù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的時(shí)刻在打開三個(gè)三極管，使用小的分壓電阻檢測反電勢，這樣做可以保證低速運(yùn)行和跟蹤啟動(dòng)階段有一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

針對傳統(tǒng)三段式的缺點(diǎn)，還可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，既電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)刻還是強(qiáng)制拉到一個(gè)固定的位置（如果位置沒拉到說明給的力不夠大，力矩除了和定子轉(zhuǎn)子角度有關(guān)之外還和給定的電流有關(guān)，所以可以根據(jù)負(fù)載的不同適當(dāng)?shù)脑黾诱伎毡?，也不要增加太多，容易過流燒功率器件，所以具體是多少還需要個(gè)人根據(jù)應(yīng)用去調(diào)節(jié)）。之后開環(huán)只拉一步，注意是只有一步的開環(huán)，因?yàn)樨?fù)載比較大，所以此時(shí)檢測到的反電勢還是可靠的。之后閉環(huán)運(yùn)行即可，波形圖如下圖10所示。

圖10 一步開環(huán)法運(yùn)行波形

圖10是使用強(qiáng)拉+開環(huán)一步運(yùn)行的波形圖，圖中的定位時(shí)間和開環(huán)時(shí)間都是200ms，具體應(yīng)用可以更改這個(gè)時(shí)間。開環(huán)時(shí)間不宜過長，也不宜太短，否則可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁勢跑到定子前面甚至在某個(gè)位置震蕩，也可能導(dǎo)致還沒到理想的夾角區(qū)間（60°到120°電角度）。

圖11 一步開環(huán)法運(yùn)行放大波形

圖11是對圖10的放大，可以看出，雖然前面幾步的換相時(shí)間不算很好，但是隨著后面反電勢的越來越準(zhǔn)確，已經(jīng)自糾正過來。

雖然上述方法已經(jīng)可以解決很多無傳感器直流無刷電機(jī)的運(yùn)行問題，但是存在定位階段會(huì)反轉(zhuǎn)的問題，所以目前還流行一種六脈沖定位的靜態(tài)定位方式。為了克服轉(zhuǎn)子定位出現(xiàn)的問題，提出了基于定子鐵芯飽和法來檢測轉(zhuǎn)子的初始位置。過對定子繞組施加固定脈寬的檢測脈沖，檢測電流的變化率或者檢測電流的峰值，方法可以提供精確的轉(zhuǎn)子位置信息。

轉(zhuǎn)子位置檢測的基本原理是由轉(zhuǎn)子位置引起定子鐵芯的飽和效應(yīng)和定子鐵芯非線性磁化的特性。電樞磁勢與永磁磁勢之間的夾角將會(huì)決定電樞反應(yīng)起去磁作用還是增磁作用，去磁作用與增磁作用將會(huì)影響定子鐵心的飽和程度，其差異將體現(xiàn)在定子電感上，而定子電感的差異將會(huì)導(dǎo)致電流響應(yīng)的快慢。電樞磁勢與永磁磁勢的夾角越小，增磁效應(yīng)越大，相應(yīng)的定子繞組電感越小。檢測出定子電感最小點(diǎn)，便可以判斷出轉(zhuǎn)子的初始位置區(qū)間。轉(zhuǎn)子相對定子位置與電感L關(guān)系如圖12所示，

圖12 轉(zhuǎn)子相對位置與定子電感關(guān)系

工程上，由于電感我們無法直接測量，只能依靠電機(jī)的數(shù)學(xué)模型求出。電機(jī)的定子電壓平衡關(guān)系式為

因?yàn)榉措妱菔桥c轉(zhuǎn)速有關(guān)的物理量，當(dāng)電機(jī)靜止的時(shí)候，轉(zhuǎn)速為0，所以反電勢也為0，公式①可以簡化為：

那么繞組電流的響應(yīng)表達(dá)式為

式中，為時(shí)間常數(shù)，由于電機(jī)的電阻是可以近似認(rèn)為不變的，所以電感就變成了影響電流響應(yīng)速度的唯一因素，電感越小，電流響應(yīng)速度越快，在繞組電流變化達(dá)到穩(wěn)定值之前選擇合適的時(shí)間測取繞組電流，比較繞組電流大小，便可得知電感的大小關(guān)系，進(jìn)而判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置所在hall位置區(qū)間。

針對上述提出的電感法測量轉(zhuǎn)子位置，采用了兩兩導(dǎo)通、通入六步脈沖的方式檢測母線電流，為了得到的位置信息更準(zhǔn)備，采用多次測量位置結(jié)果都一致作為最后得到的位置信息，具體結(jié)果看圖13。

圖13為電感法測轉(zhuǎn)子初始位置的電流波形圖，為了位置準(zhǔn)確，采用了多次定位的方式。

圖13 電感法測轉(zhuǎn)子位置波形圖-1

圖14和圖15是對圖13進(jìn)行放大的波形，分別放大到了兩次定位和一次定位的波形圖，從圖15是可以清晰看出采用電感法，通入的六脈沖不同產(chǎn)生的電流是有很大差異性的，圖14說明兩次定位結(jié)果一致，可見本方法是十分可行的，多次檢測得到的位置一致更是證明結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖14 電感法測轉(zhuǎn)子位置波形圖-2

圖15 電感法測轉(zhuǎn)子位置波形圖-3

當(dāng)然，針對不同的電機(jī)，定位時(shí)間是有很大區(qū)別的，時(shí)間不宜太短，沒到飽和可能測不出來電流的差異性；也不宜太長，太長可能導(dǎo)致電機(jī)抖動(dòng)。具體還需個(gè)別電機(jī)區(qū)別對待。從一致性角度看，電感法沒有強(qiáng)拉一步適應(yīng)性強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生噪音，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)反轉(zhuǎn)。

使用電感法啟動(dòng)和運(yùn)行的波形如下圖16和圖17所示，對比前面的圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，使用電感法之后，由于起始位置準(zhǔn)確，在后面換相的前幾步明顯比強(qiáng)拉和開環(huán)運(yùn)行方式好很多，前幾步換相已經(jīng)很接近梯形波，接近轉(zhuǎn)子反電勢波形。

圖16 使用電感法定位的電機(jī)啟動(dòng)加速狀態(tài)波形-1

圖17 使用電感法定位的電機(jī)啟動(dòng)加速狀態(tài)波形-2

對于電感法定位，除了可以采用檢測母線電流之外，還可以通過檢測不導(dǎo)通相的反電勢來定位。雖然檢測的變量不同，但是方法和原理是一致的，在此不多加敘述。

2.4 高速運(yùn)行時(shí)刻換相
高速換相也是無位置傳感器直流無刷電機(jī)不可不說的問題。由于直流無刷電機(jī)的控制使用了三相全橋逆變器，為了不使逆變器的上下橋直通導(dǎo)致炸管燒電機(jī)，必須在驅(qū)動(dòng)的時(shí)刻加入死區(qū)時(shí)間。因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間的加入，不可避免的出現(xiàn)上下橋全關(guān)的狀態(tài)，但是此時(shí)電機(jī)里面還是有電流的，電流必須流出去，所以就會(huì)從mosfet的續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流（對于foc控制，很多場合就是在此刻采集，電流是不會(huì)突變的，具體可以示波器觀測電流波形）。由于出現(xiàn)續(xù)流時(shí)刻，那么對于反電勢檢測來說就不可避免的出現(xiàn)了誤判過零的現(xiàn)象，所以才過零點(diǎn)判斷的時(shí)刻必須避開續(xù)流時(shí)刻，續(xù)流波形見下圖18紫色部分，在紫色反電勢波形從母線開始到反電勢下降的時(shí)刻連接點(diǎn)有一個(gè)長時(shí)間的低電平狀態(tài)，在紫色波形從電壓0V到開始有反電勢電壓也有一個(gè)高電平狀態(tài)，這兩個(gè)就是續(xù)流的階段，在這兩個(gè)階段如果檢測過零點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)誤判的，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)換相不正確甚至堵轉(zhuǎn)的問題，可能引發(fā)控制器和電機(jī)發(fā)熱，發(fā)生燒壞電機(jī)和功率器件的問題，所以這兩個(gè)階段是必須避開的，在軟件處理里，每次換相結(jié)束之后要留出一段時(shí)間不檢測過零點(diǎn)，這樣才可以使程序正確的運(yùn)行，讓電機(jī)工作在正常狀態(tài)。

圖18 高速換相續(xù)流階段波形

方波換相什么時(shí)刻最好一直是工程師研究的問題，下面用幾個(gè)波形來簡單說明一下，先看圖19，

圖19 全速運(yùn)行階段換相提前波形

圖19中，綠色紅色和紫色是三相反電勢波形圖，黃色的是中性點(diǎn)電壓（也就是圖9中的NEUTRAL點(diǎn)電壓，由于采樣點(diǎn)是分壓之后的，所以幅值很小），從圖中可以觀察出出現(xiàn)了不正常的平頂狀態(tài)，這是因?yàn)辄S色波形應(yīng)該是三相反電勢疊加在一起之后的中性點(diǎn)波形，正常一個(gè)是電源電壓一個(gè)是地，另一個(gè)反電勢在增加或者減小，但是由于圖中的換相時(shí)刻稍微早了一點(diǎn)，所以看最左邊的綠色平頂波形，明顯早了，所以出現(xiàn)了兩個(gè)母線電壓和一個(gè)地的情況，所以這個(gè)波形就是換相早導(dǎo)致的，但是波形看起來還是很梯形的。下面把上圖19的電機(jī)在加速過程中的波形發(fā)出來，可以看出來，一直都很接近梯形波，但是換相一直稍微早一點(diǎn)，所以此時(shí)程序需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整一下。

圖20 加速階段換相提前波形

圖21 加速階段換相提前波形局部放大

下面再給出一個(gè)換相時(shí)刻很好的波形，見圖22，

圖22 高速運(yùn)行理想時(shí)刻換相波形圖

上圖是某吸塵器電機(jī)全速運(yùn)行波形，可以看出上升沿和下降沿的換相時(shí)刻都很好，續(xù)流時(shí)刻也很明顯，需要盡量避免誤判過零點(diǎn)。

3 結(jié)論
本文對無位置傳感器的無刷直流電機(jī)控制的原理進(jìn)行了詳細(xì)說明，并利用大量的理論和實(shí)測數(shù)據(jù)對電機(jī)運(yùn)行控制過程中的啟動(dòng)、低速及高速換相問題進(jìn)行了詳細(xì)說明，有效的解決了定位、高速準(zhǔn)確換相的問題，提高了高速運(yùn)行時(shí)刻的電機(jī)工作效率，解決了高速噪聲問題。

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