一、概述 在无刷直流电机控制系统中，位置传感器（如霍尔传感器等）虽然为转子位置提供了最直接最有效 的检测方法，但是它们也使电机的体积变大，需要的信号引线增多，生产成本增加。在某些应用场合（如 高温高压），位置传感器的不可靠性更带来了系统运行失效的风险。因此，人们致力于寻找无刷直流电 机无位置传感器的控制方法。本文将讨论包括电机驱动方式、PWM 调制方式、转子位置检测方法等无位 置传感器控制的关键技术。 二、电机驱动方式的选择 1、主功率电路驱动方式分析 无刷直流电机可以有多相结构，每种结构都可以用全桥或半桥电路来驱动，而全桥驱动又可分为星 形和角形联结以及不同的通电方式。不同的选择会使电机及控制系统产生不同性能和成本。以应用最广 泛的三相无刷直流电机为例，便有三相半桥驱动、三相星形全桥驱动、三相三角形全桥驱动等多种方式 如下图一所示：  如上图一(a)所示，三相半桥驱动电路的特点是简单，但电机绕组的利用率很低，每个绕组只通电 1/3 周期的时间，另外 2/3 时间处于断电状态，绕组未能得到充分利用，其运行时转矩波动较大；对于 要求较高的场合，一般采用三相全桥电路，如上图一(b)所示。 无论电机绕组采用何种联结方式，三相全桥驱动电路都有两两导通和三三导通两种通电方式。两两 通电方式是指每一瞬间有两只开关管导通或调制，每隔 60 度电角度换相一次，每次换相改变一只开关 管的状态，每只开关管导通 120 度电角度；三三通电方式是指每一瞬间都有 3 只开关管同时导通或调制， 每隔 60 度电角度换相一次，每个开关管通电 180 度电角度。但是在三三通电方式中，对开关管的关断 和导通顺序有严格的规定，稍有不慎便会造成上下桥臂同时导通，使直流电源短路而烧毁。 综上分析，本文采用三相星形全桥驱动电路，并采用两两导通的通电方式来探讨无位置传感器控制 的关键技术。 2、六步换相法 无刷直流电机采用两两通电的三相星形全桥驱动方式后，每个电周期内换相六次，也即是我们常说 的六步换相法。根据通电绕组的不同，将一个电周期平均分成 6 步，称为 6 个区间或 6 个状态，换相发 生在两个相邻状态的切换瞬间，由开关管的切换完成。六步换相法的原理如下图二所示。  图二(a)显示了六步换相中每一步的电流流过电机绕组的方向，图二(b)显示了每一步电机绕组的反 电动势波形及开关管的导通情况。各开关管的导通顺序是 V1V4、V1V6、V3V6、V3V2、V5V2、V5V4、V1V4…… 当 V1 和 V4 导通时，电流从 V1 流入 A 相绕组，再从 B 相绕组流出，经 V4 流回电源，在这个状态中，C 相绕组是不通电的，即处于悬空状态。每一状态上都有两相绕组通电，另外一相绕组悬空，这是六步换 相法的重要特征，我们该篇文章将要讨论的无位置传感器控制就是基于此实现的。 三、PWM 调制方式 PWM 控制是最常用的电机调速方式，尤其是近年来 IGBT 和 MOSFET 等电力电子器件的发展，PWM 的 调制频率可达几十甚至几百 kHz，为电机的宽转速、快响应灵活调速提供了条件。PWM 控制主要是通过 PWM 波对桥式逆变桥功率管的开关状态进行调制达到对电流的控制和调节。根据 PWM 的作用时间和作用 的开关管不同，可以将 PWM 调制分为五种模式。在每个开关管导通的 120 度电角度的时间内，五种调制 模式如下图三所示。  (1)H_PWM-L_PWM 模式：逆变桥上下桥臂采用互补的 PWM 信号进行调制； (2)ON_PWM 模式：在每个开关管的 120 度电角度导通空间中，前 60 度电角度保持恒通，后 60 度电角度进行 PWM 调制； (3)PWM_ON 模式：在每个开关管的 120 度电角度导通空间中，前 60 度电角度进行 PWM 调制，后 60 度电 角度保持恒通； (4)H_PWM-L_ON 模式：在每个通电状态中，处于逆变桥中上桥臂的开关管采用 PWM 调制，下桥臂的开关 管保持恒通； (5)H_ON-L_PWM 模式：在每个通电状态中，处于逆变桥中上桥臂的开关管保持恒通，下桥臂的开关管采 用 PWM 调制。 在五种调制方式中，上下桥臂同时调制的方式，如 H_PWM-L_PWM，称为“全斩波”调制模式；其他 四种调制方式，称为“半斩波”调制模式。“全斩波”模式的开关损耗和定子绕组的电流脉动均是其他 “半斩波”模式的两倍，而在“半斩波”的四种调制模式里，在上桥换相过程中，PWM_ON 模式和 H_PWM-L_ON 下的转矩脉动比 ON_PWM 模式和 H_ON-L_PWM 模式下的小；在下桥换相过程中，PWM_ON 模式和 H_ON-L_PWM 下的转矩脉动比 ON_PWM 模式和 H_PWM-L_ON 模式下的小。 考虑到控制的简单性，我们本文选择最常用的 H_PWM-L_ON 模式（也被称为上桥斩波下桥恒通），也 即在每个通电状态中只对上桥臂进行 PWM 调制，而下桥臂保持恒通。以状态 1 为例，AB 相导通，当 PWM 高电平时，V1、V4 导通，电源通过 V1、V4，电流增加；当 PWM 低电平时，V1 关断，V4 导通，电流通过 二极管续流。采用 H_PWM-L_ON 模式能有效的降低电机的转矩脉动，特别是在高速情况下。完整的 PWM 控制信号如下图四所示。  四、反电势过零点检测方法的实现 对于反电动势为梯形波的无刷直流电机，通过检测悬空相电压的过零点，即可得到悬空相反电动势 电压的过零点。但是电机的引出线一般只有 A、B、C 三相绕组的引线，能够直接检测到的物理量只有 端电压和相电流，因此只有对这些物理量进行处理和运算，才能获得电机的反电动势，检测其过零点 由于绝大部分电机的中性点并没有引出，因此无法直接将定子端电压与中性点电压进行比较来获取 过零点。针对这种情况，其中一种解决方法就是将端电压与直流母线电压的一半进行比较，假定端电压 等于 VDC/2 的时候发生反电动势过零事件，如下图五所示。这种电路容易实现，只需在绕组引出线上 接上比较器即可，故一共需要三个比较器。但是这种方法检测到的端电压信号有正负相移，而且大多数 情况下电机的额定电压小于 VDC 电压，因此反电动势过零事件并非总发生在 VDC/2 处，故检测不准 确。 |
