一、概述

在無刷直流電機控制系統中，位置傳感器（如霍爾傳感器等）雖然為轉子位置提供了最直接最有效 的檢測方法，但是它們也使電機的體積變大，需要的信號引線增多，生產成本增加。在某些應用場合（如 高溫高壓），位置傳感器的不可靠性更帶來了系統運行失效的風險。因此，人們致力于尋找無刷直流電 機無位置傳感器的控制方法。本文將討論包括電機驅動方式、PWM 調制方式、轉子位置檢測方法等無位 置傳感器控制的關鍵技術。

二、電機驅動方式的選擇

1、主功率電路驅動方式分析

無刷直流電機可以有多相結構，每種結構都可以用全橋或半橋電路來驅動，而全橋驅動又可分為星 形和角形聯結以及不同的通電方式。不同的選擇會使電機及控制系統產生不同性能和成本。以應用最廣 泛的三相無刷直流電機為例，便有三相半橋驅動、三相星形全橋驅動、三相三角形全橋驅動等多種方式 如下圖一所示：

如上圖一(a)所示，三相半橋驅動電路的特點是簡單，但電機繞組的利用率很低，每個繞組只通電 1/3 周期的時間，另外 2/3 時間處于斷電狀態，繞組未能得到充分利用，其運行時轉矩波動較大；對于 要求較高的場合，一般采用三相全橋電路，如上圖一(b)所示。

無論電機繞組采用何種聯結方式，三相全橋驅動電路都有兩兩導通和三三導通兩種通電方式。兩兩 通電方式是指每一瞬間有兩只開關管導通或調制，每隔 60 度電角度換相一次，每次換相改變一只開關 管的狀態，每只開關管導通 120 度電角度；三三通電方式是指每一瞬間都有 3 只開關管同時導通或調制， 每隔 60 度電角度換相一次，每個開關管通電 180 度電角度。但是在三三通電方式中，對開關管的關斷 和導通順序有嚴格的規定，稍有不慎便會造成上下橋臂同時導通，使直流電源短路而燒毀。

綜上分析，本文采用三相星形全橋驅動電路，并采用兩兩導通的通電方式來探討無位置傳感器控制 的關鍵技術。

2、六步換相法

無刷直流電機采用兩兩通電的三相星形全橋驅動方式后，每個電周期內換相六次，也即是我們常說 的六步換相法。根據通電繞組的不同，將一個電周期平均分成 6 步，稱為 6 個區間或 6 個狀態，換相發 生在兩個相鄰狀態的切換瞬間，由開關管的切換完成。六步換相法的原理如下圖二所示。

圖二(a)顯示了六步換相中每一步的電流流過電機繞組的方向，圖二(b)顯示了每一步電機繞組的反 電動勢波形及開關管的導通情況。各開關管的導通順序是 V1V4、V1V6、V3V6、V3V2、V5V2、V5V4、V1V4…… 當 V1 和 V4 導通時，電流從 V1 流入 A 相繞組，再從 B 相繞組流出，經 V4 流回電源，在這個狀態中，C 相繞組是不通電的，即處于懸空狀態。每一狀態上都有兩相繞組通電，另外一相繞組懸空，這是六步換 相法的重要特征，我們該篇文章將要討論的無位置傳感器控制就是基于此實現的。

三、PWM 調制方式

PWM 控制是最常用的電機調速方式，尤其是近年來 IGBT 和 MOSFET 等電力電子器件的發展，PWM 的 調制頻率可達幾十甚至幾百 kHz，為電機的寬轉速、快響應靈活調速提供了條件。PWM 控制主要是通過 PWM 波對橋式逆變橋功率管的開關狀態進行調制達到對電流的控制和調節。根據 PWM 的作用時間和作用 的開關管不同，可以將 PWM 調制分為五種模式。在每個開關管導通的 120 度電角度的時間內，五種調制 模式如下圖三所示。

(1)H_PWM-L_PWM 模式：逆變橋上下橋臂采用互補的 PWM 信號進行調制；

(2)ON_PWM 模式：在每個開關管的 120 度電角度導通空間中，前 60 度電角度保持恒通，后 60 度電角度進行 PWM 調制；

(3)PWM_ON 模式：在每個開關管的 120 度電角度導通空間中，前 60 度電角度進行 PWM 調制，后 60 度電 角度保持恒通；

(4)H_PWM-L_ON 模式：在每個通電狀態中，處于逆變橋中上橋臂的開關管采用 PWM 調制，下橋臂的開關 管保持恒通；

(5)H_ON-L_PWM 模式：在每個通電狀態中，處于逆變橋中上橋臂的開關管保持恒通，下橋臂的開關管采 用 PWM 調制。

在五種調制方式中，上下橋臂同時調制的方式，如 H_PWM-L_PWM，稱為“全斬波”調制模式；其他 四種調制方式，稱為“半斬波”調制模式。“全斬波”模式的開關損耗和定子繞組的電流脈動均是其他 “半斬波”模式的兩倍，而在“半斬波”的四種調制模式里，在上橋換相過程中，PWM_ON 模式和 H_PWM-L_ON 下的轉矩脈動比 ON_PWM 模式和 H_ON-L_PWM 模式下的小；在下橋換相過程中，PWM_ON 模式和 H_ON-L_PWM 下的轉矩脈動比 ON_PWM 模式和 H_PWM-L_ON 模式下的小。

考慮到控制的簡單性，我們本文選擇最常用的 H_PWM-L_ON 模式（也被稱為上橋斬波下橋恒通），也 即在每個通電狀態中只對上橋臂進行 PWM 調制，而下橋臂保持恒通。以狀態 1 為例，AB 相導通，當 PWM 高電平時，V1、V4 導通，電源通過 V1、V4，電流增加；當 PWM 低電平時，V1 關斷，V4 導通，電流通過 二極管續流。采用 H_PWM-L_ON 模式能有效的降低電機的轉矩脈動，特別是在高速情況下。完整的 PWM 控制信號如下圖四所示。

四、反電勢過零點檢測方法的實現

對于反電動勢為梯形波的無刷直流電機，通過檢測懸空相電壓的過零點，即可得到懸空相反電動勢 電壓的過零點。但是電機的引出線一般只有 A、B、C 三相繞組的引線，能夠直接檢測到的物理量只有 端電壓和相電流，因此只有對這些物理量進行處理和運算，才能獲得電機的反電動勢，檢測其過零點

由于絕大部分電機的中性點并沒有引出，因此無法直接將定子端電壓與中性點電壓進行比較來獲取 過零點。針對這種情況，其中一種解決方法就是將端電壓與直流母線電壓的一半進行比較，假定端電壓 等于 VDC/2 的時候發生反電動勢過零事件，如下圖五所示。這種電路容易實現，只需在繞組引出線上 接上比較器即可，故一共需要三個比較器。但是這種方法檢測到的端電壓信號有正負相移，而且大多數 情況下電機的額定電壓小于 VDC 電壓，因此反電動勢過零事件并非總發生在 VDC/2 處，故檢測不準 確。

完整版技術文檔請點擊文章開頭普通下載