無刷直流電機無位置傳感器的矢量控制

趙天劍　王林莉　采長濤

【摘 要】矢量控制的無位置傳感器無刷直流電機的應用越來越多，在工業與商業領域的地位日漸提高。無刷直流電動機的控制關鍵就是轉子位置的獲取，本文研究無位置傳感器的反電動勢過零檢測法優點突出，并結合矢量控制，能使無刷直流電機穩定高速運行，實際應用價值極高。

【關鍵詞】無刷直流電機；矢量控制；無位置傳感器

0 緒論

現如今的電機發展歷程中，無刷直流電機（BLDC）進步迅速且應用廣泛。BLDC在家用電器、汽車工業、航空航天、醫療設備、工業4.0等眾多領域有著出色的表現。

根據工作特性的不同，無刷直流電機可以分為兩類：

（1）矩形波同步電機，顧名思義，它的反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波，它就是所要討論的BLDC。這種無刷直流電機有擁有刷直流電機的各種運行優點，比如啟動和調速性能好，調速范圍廣而平滑，過載能力強等，并且有效地克服了有刷直流電機換向困難損耗大的缺點。

（2）正弦波同步電機，此電機雖然依然是利用直流電供電，但是它需要通過逆變器先將直流轉換為交流，再供給電機使用，是具有交流特性的無刷直流電機。

1 無位置傳感器的位置檢測

無刷直流電機的位置檢測是其極其重要的一個環節，關系到BLDC的穩定工作，是組成BLDC系統的三大部分之一，也是跟有刷電機相區別的主要標志，它的目的是把轉子的位置信號進行檢測并轉化為電信號，為控制電路提供換向信息，從而控制定子繞組依次以正確的方式通電，來帶動轉子持續穩定地旋轉。

1.1 有位置傳感器的位置檢測方法

光電式位置傳感器的原理是光電效應，可以利用衍射、投射、反射、折射等現象來測量位移、角速度，可以不跟被測對象直接接觸，因而不存在摩擦等外部干擾。將它安裝在BLDC轉子的遮光部分，再在定子上安裝穩定的光源，即可測得所需的信號，信號經整形后可使用，缺點是價格昂貴且適應力不強。

電磁式位置傳感器是針對測速齒輪設計的發電型傳感器，利用的是電磁感應原理，把被測量在導體中感生的磁通量變化轉換出輸出信號變化。它輸出的信號大，只要經過整流以后便可控制，抗干擾性強，在惡劣環境中也能正常使用，缺點是不適合轉速過高的情況。

磁敏式位置傳感器用的最多的就是通常所說的霍爾傳感器，依據的是霍爾效應原理，是在有位置傳感器的BLDC中應用最廣泛的，它對環境適應能力強，成本也比較低，精度高，性能好。

1.2 無位置傳感器的位置檢測方法

BLDC如安裝了位置傳感器不但會增大電機的體積，制作成本提高了，而且會使其的可靠性變低，所以無位置傳感器的BLDC應用變得廣泛起來。它一般分為兩個類別，分別應用于高速和低速兩種情況。

一般情況下，在一個電度角周期中，為了使轉子產生最大平均轉矩，會有6種換向狀態，這種方法是通過測量不導通相的端電壓，將其與中點電壓相比，從而可以獲取反電動勢過零點。但是如果對象是小電樞電感的BLDC，繞組的中點電壓就會變得難以準確獲取，所以經常被使用的是虛擬中點電壓法。

2 無刷直流電機的工作原理及數學模型

2.1 工作原理

對于有刷直流電機，擁有旋轉電樞和固定磁場，但是對于BLDC來說，是旋轉的磁場和固定的電樞，晶閘管、晶體管等功率開關器件可以與外部的電樞相連接。

無刷直流電機采取的是電子換向方式，可以用位置傳感器測得轉子的精確位置，然后改變定子電樞的通電方式進行換向，來使得電機平穩運行，當然也有無位置傳感器的控制方式。

2.2 運行特性

通過輸入電功率，從而輸出機械功率，是對電機最基本的要求，所以轉矩和轉速是最重要的數據，因而就要知道轉矩和轉速的變化規律，所以講其運行特性分為起動特性、工作特性、機械特性和調速特性。

2.3 BLDC數學模型和矢量控制原理

無刷直流電機的反電動勢波形為正弦波時，電子與轉子之間的參數難以得到精確的數據，所以就需要建議BLDC數學模型。在建立數學模型時，需要把電機的磁路看做線性磁路，對磁路飽和、磁滯以及渦流影響忽略不計。轉子由永磁體構成，定子是一組三相對稱的線圈繞組，三者之間距離為120°的電角度。本文研究的BLDC為正弦波同步電機，電動勢與反電動勢均為正弦波，按正弦規律變化，對高次諧波磁勢忽略不計。

一般情況下，矢量控制在兩種坐標系下進行，靜止坐標系和旋轉坐標系。其中，Park變換是兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換。

另外一種就是三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的Clark變換，因為磁勢分布和功率是不變的，所以兩者之間的磁勢相等。

3 結論

本文對于無位置傳感器的BLDC進行了詳盡的研究，使用矢量控制的方法對于控制此電機具有優異的效果，系統控制的實時性和可靠性大大增強，能使得電機工作過程中穩定高速運行，且功耗較低，具有很高的應用價值。

【參考文獻】

[1]李同豪.無刷直流電機無位置傳感器矢量控制技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

[2]張鵬，賈洪平，王云財，劉云.模糊-PI無刷直流電機矢量控制系統實現[J].機電工程，2016，02：202-206.

[3]吳志勇.基于繞組電感變化特性的無刷直流電機無位置傳感器控[D].碩士學位論文.天津：天津大學，2011.

[4]吳佳.無位置傳感器無刷直流電機矢量控制系統設計與研究[D].南京：東南大學，2016.

[5]楊光，李醒飛.無刷直流電機反電勢過零點檢測轉子位置研究[J].電力電子技術，2008，42（10）：18-20.

[責任編輯：朱麗娜]