無位置傳感器電機的啟動控制設計與研究

王 臻 成 瀚 王會玖 劉兵仁

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

引言

隨著產品越來越輕薄，集成化程度越來越高，產品內部的冗余元件被逐步取消，甚至一些必要元件也在通過各種創(chuàng)新的方式進行替代。

本文展開的就是通過技術迭代引入的電機控制方法，當然它也有自身的特點，無法工作于受不定外力影響的環(huán)境，但對于外界影響較少的無人機、風扇、個人護理產品等，卻有較廣的應用前景，并能因此帶來結構創(chuàng)新的思考。

內容是基于星形連接方式的三相無刷電機進行討論的，其控制方法主要有方波控制、正弦控制、矢量控制三種，其難易程度也呈遞增的關系。雖然說方波控制是其中最簡單的，但是由于其控制邏輯簡單、需要運算少，特別適用于成本敏感、轉速要求高的場景中。

方波控制方法簡單，但卻有不簡單的應用，這就是無位置傳感器的方波控制方法。它的特點是可以節(jié)省電機上的位置傳感器，使電機更小巧，并可置于傳感器無法布置的環(huán)境，僅通過供電線即可實現電機位置的感知和控制。

1 無位置傳感器的實現方法

無位置傳感器的無刷電機控制是通過對三相電壓波形的感知來實現的，其難點在于啟動時電壓、電流不穩(wěn)定，無法獲取有效參考而啟動困難。雖然電機上磁阻隨位置而變化，可在靜止轉動時被檢測到，但大多數電機其變化較小無法被可靠測量。

常規(guī)的處理還是對電機進行開環(huán)啟動、閉環(huán)運行的方式執(zhí)行。開環(huán)啟動根據目的的不同又分為預定位和加速階段，其中預定位為獲取當前轉子的電角度或控制達到特定的電角度，加速為以一定的換相頻率對轉子進行強拖使其達到能穩(wěn)定獲取反電動勢的轉速；閉環(huán)運動則是根據可穩(wěn)定捕獲的反電動勢作為換相依據達到閉環(huán)控制的目的。

1.1 開環(huán)控制

開環(huán)階段就像暗盒，控制器對電機的運行狀態(tài)一無所知。不能確定轉子所處的電角度，不能確定轉子是否處于低速運行，不能確定轉子是否處于擺動狀態(tài)，對控制構成不確定。為了使轉子狀態(tài)處于相對的可知，與我們設定的狀態(tài)匹配上，就需要根據電機的特性做一些特殊的操作，確定它的狀態(tài)和角度，否則很難保證啟動的穩(wěn)定達成。特殊的操作就是預定位，目的是讓電機在啟動前達到明確的狀態(tài)，使給出設定的操作可以實現轉子的加速。

1.1.1 預定位

根據設計思路的不同可以分為感應定位法和控制定位法。

1.1.1.1 感應定位法

感應定位法的目的是獲取當前轉子位置，是通過對電機三相進行多組脈沖通電，獲取電流以判斷出電機所處60 °的電角度狀態(tài)。

如圖1 所示，打開Q1、Q2、Q4 并關閉Q0、Q3、Q5，實現A相上橋臂、B相下橋臂、C相下橋臂打開的控制，如圖2 的U0（001）控制，根據基爾霍夫定律此時母線電流即為A 相電流，與B 相、C 相電流之和相同方向相反，定義此時的電流為IA+，對此也可使用單電阻方式進行電流采樣，并將獲取的電流作為IA+。又因為有定子的磁場作用，就會在線圈上形成感生電而體現在電流IA+上。

圖1 電機控制示意圖

圖2 感應定位法確定電角度示例

檢測完IA+后，關閉相應的控制，再進行反向的控制，打開Q0、Q3、Q5 并關閉Q1、Q2、Q4，實現A 相下橋臂、B 相上橋臂、C 相上橋臂打開的控制，如圖2 的U180（110）控制，在檢測此時的電流，并定義為IA-，此時也會因為定子的磁場作用，會在線圈上形成感生電而體現在IA-上。這也是我們的目的，為了獲取磁場與當前控制的關系。

此處假定線圈的繞線方式在轉子N 極與A 相對應時有正向電流作用于IA，則IA+大于IA-時就能說明當前轉子N 極與定子的A 相處于相對的位置，能反映當前N 極的180 °范圍，如圖2 中的①所示，其中深色區(qū)域表示N 極判定區(qū)域。

同理測試B 相上橋臂、A 相下橋臂、C 相下橋臂打開的IB+，以及B 相下橋臂、A 相上橋臂、C 相上橋臂打開的IB-，以及A、B、C 三相繞組方式相同的特性，比較IB+、IB-的大小就可獲取，當前轉子N 極與B 相的180 °關系，如圖2 中的②所示。

再測試C 相，就可獲取到轉子與C 相的180 °關系，如圖2 中的③所示。

因為采用的是脈沖控制方式，控制的時間極短、力矩極小，不會導致轉子位置的變化，因此基于上述的結果疊加A、B、C 相的有效區(qū)域，重疊的部分就是電機N 極所處的位置，因此可以將當前的電角度定位到60 °范圍，該范圍如圖2 中的④所示，為U0（001）的前后30 °范圍，當磁極的電角度確認后就方便設置第一步控制了。

該方式需要分步操作完成定位，有操作時間的間隔，基于電機靜止或低速運行的情況。若電機初始具有較快轉速會需要變更策略，采用控制定位法，或是先進行剎車操作，再或是直接切入閉環(huán)。

1.1.1.2 控制定位法

控制定位法的目的是將轉子轉動到預定位置，是通過對電機兩相進行短時間通電的方式將轉子位置鎖定在固定區(qū)域。

具體為控制圖1 中的功率管Q1、Q2 打開，其他功率管關閉，實現A 相與B 相之間的通電，以推動轉子轉動。需要注意的是Q1、Q2 打開時力矩的控制非常關鍵，力矩過小會導致移動不能達到鎖定位置，力矩過大又會導致轉子達到鎖定位置時會發(fā)生振蕩。因此需要反復調試使轉子距離預定位點存在120 °逆轉方向的情況下，達到鎖定位置時振蕩盡可能小。除力矩的因素，定位控制的時間也需要根據轉子慣性的大小進行反復測試進行確定。

有個特殊狀況需要著重考慮，通電后磁場與轉子磁場呈180 °的情況，此時因為沒有力矩的產生會導致轉動失能，不能達到預定位置。解決的辦法有兩種，一是電機設計時構建定子大小邊、槽極不同等不穩(wěn)態(tài)；一是將一步的定位控制改為兩步，使用具有角度差的兩步操作達到鎖定位置的目的。

在實際應用中，采用不穩(wěn)態(tài)的電機結構和單步的鎖定方式操作上更便捷、更可靠。只執(zhí)行一次鎖定的方式較容易出現定位不理想的狀況，改為兩次鎖定的方式基本可以解決該問題，并可以較好的解決轉子振蕩的問題，當然在鎖定后使用感應法再確認轉子的位置也不失為穩(wěn)妥的考量。

1.1.2 加速

預定位后電機就進入到強拖的加速狀態(tài)，此階段需要將轉子的轉速提升到可以捕獲穩(wěn)定反電動勢的狀態(tài)。主要的方法有恒頻升壓法、恒壓升頻法和升頻升壓法三種方式。

恒頻升壓法：

采用固定的換相頻率，通過逐步提高PWM 占空比的方式提升驅動電機的電壓,以慢慢地提高轉子的轉速。

恒壓升頻法：

將固定的電壓加載到電機的驅動端，以逐步提高換相頻率的方式，使轉子轉速逐步增加。

升頻升壓法：

通過逐步提高PWM 占空比的方式提升驅動電機的電壓，并逐步提高換相頻率，使轉子轉速達到閉環(huán)切入條件。

三種方式均處于開環(huán)狀態(tài)下操作，都有失速和失步可能，并伴隨啟動失敗的發(fā)生。因此，設計升速曲線時要盡量減少該過程操作的步數，盡量縮短該過程持續(xù)的時間，避免因為太多的不確定導致失敗的概率加大。

升頻升壓法因為同時變化的量相對其他兩種更多，控制考慮更復雜，不推薦使用。雖然加速階段是開環(huán)控制的，但是設計思路可以考量閉環(huán)的加速過程。在有感閉環(huán)加速的過程中，最直接的表現是換相頻率的提高，因此以恒壓升頻法進行操作更貼近于閉環(huán)的邏輯。

圖3 所示為相電流在成功無感啟動時的波形表現，除最左側半個周期因預定位呈現較特殊波形外，其他時刻均呈正弦波形，為有效推動信號，可以看出從左至右正弦波越來越緊湊，體現的是相上電流周期變化的時間越來越快，反應的是換相頻率的逐步提高。

圖3 無感啟動過程相電流波形

要使開環(huán)控制更貼近閉環(huán)操作就有必要了解時間平方律函數，為：

式中：

ω—開環(huán)步進速度；

ωs—開環(huán)起始速度；

k—開環(huán)結束速度減去開環(huán)起始速度的值；

t—加速時間。

根據公式（1）在確定好開環(huán)起始速度和開環(huán)結束速度后，可以獲取開環(huán)步進速度與加速時間的關系。

起始速度一般設為額定轉速的1/60，結束速度一般設置為額定轉速的1/6，加速時間一般設置（2～4）s。由此便可得到開環(huán)步進速度，以及切入閉環(huán)需經歷的周期數和控制間隔，從而確定控制的占空比以配置合適的驅動電壓，并在測試中修正該值。為避免操作步驟過多變化過大，一般做法為控制其中兩相的方式，并固定在估算的特定60 °范圍的電角度進行操作，實現加速轉子的目的。

1.2 閉環(huán)控制

閉環(huán)控制采用的是反電動勢法，即BEMF 法。

過零點是指不通電相的反電動勢過零狀態(tài)，之所以可以采用反電動勢法的原因在于它與霍爾信號的關系，如圖4 所示。實線部分為霍爾傳感器信號，虛線部分為反電動勢信號，反電動勢正負交替的部分為反電動勢過零點，每個柵格表示60 °的電角度。

圖4 霍爾信號與反電動勢的關系圖

例如HALL_R 信號對應，由圖可知過零點信號滯后霍爾信號變化30 °，過零信號可以直接用于換相操作，但會導致效能的下降，并會降低電機運行的平穩(wěn)性，因此補償滯后的30 °對電機的穩(wěn)定高效運行很有必要。

首先，我們來看下電機的組成以及如何獲取過零點事件。如圖5 所示，三相電機中每相的組成是相同的，即每相的繞組Z 可以等效為電阻、電感與反電動勢。由于方波電機控制在任意時間僅有兩相通電，假設此時我們控制Q1、Q6 導通，會產生由R 到B 的電流，此時的電壓URB是VDC，其中點電壓為VDC/2，且不管如何切換通電相，其中點的值始終為VDC/2，因此可以將BEMF 的過零點偏置為VDC/2。而我們需要做的就是對空閑相與過零點偏置電壓進行比較獲取過零事件。

圖5 BEMF 檢測原理示例

偏置的過零點電壓有了，但它對應的位置是電機中性點，處于電機內部，要引入它的判斷需要在電機外部構建虛擬的中性點，具體實現方式如圖6 所示，采用各相連接相同阻值的電阻搭建虛擬中性點，然后與空閑相一同接入比較器進行捕獲。

圖6 電機虛擬中性點的構建與反電動勢比較

接下來，我們來看下如何實現30 °換相偏置。應用較簡便的辦法是通過軟件定時將換相延后半個換相間隔，在過零事件發(fā)生時加入定時操作補償角度運轉會消耗的時間。不過該方法需要基于獲取到確定的換相時間，而設備剛運行時換相時間是未收斂的，因此至少需要開始的360 °電角度運行于滯后的操作，然后根據獲取到的換相時間調整滯后的操作，達到運行的穩(wěn)定高效，并根據新獲取的換相時間不斷調整。

最終實現BEMF 校正后的閉環(huán)穩(wěn)定運行。

2 技術特點/優(yōu)勢

無位置傳感器電機最大的特點就是取消了位置傳感器的使用，帶來了結構的簡化、成本的降低，只是在控制邏輯上稍顯復雜。不過只要理清了它的原理，就不難將它應用到合適的場景中。

根據應用的不同，它的控制方式也有多種區(qū)別，有上橋PWM 控制、下橋PWM 控制、上下橋均PWM 控制的方式。輸入高壓的情況下，因為自舉的存在往往采用的是下橋PWM 控制；輸出大電流的情況下，因為功率器件N 管工藝較易達到往往采用的也是下橋PWM 控制；低壓小電流的情況下，因為上橋控制方便往往使用的是上橋PWM 控制。

3 結語

本文所述的無位置傳感器的電機啟動控制主要分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩個部分，與有傳感器方式相比多了開環(huán)控制。

多出的開環(huán)控制由于不具備有效的手段獲取轉動的狀態(tài)而成為控制的難點，如何做好它的全相位穩(wěn)定啟動是無位置傳感器電機控制的關鍵所在，也是我們需要仔細揣摩和探討的部分。

設計中所使用的方法也是從較理想的狀況進行分析的，在實際的應用中需要考慮外界干擾與自身的影響，例如初始狀態(tài)非靜止、逆風運行、自轉慣性大、背壓啟動等情況。同時也要根據使用芯片的處理能力選擇合適的方法，達到最佳的適配。