无刷直流电机无传感器速度控制系统-文献综述

1、题目：无传感器无刷直流电机速度控制系统设计随着无刷直流电机（）的应用越来越广泛，使用无传感器控制的驱动方式已经成为研究的热点和发展趋势。本文为无刷直流电机无传感器控制方式的综述，总结了无刷直流电机的无传感器控制方案研究的现状、研究方向、进展情况及存在的问题，介绍了多种无位置传感器情况下无刷直流电机的启动方式及如何利用电机运行过程中的电磁信号来获取转子位置信息，以取代位置传感器的功能，达到良好的控制效果。无刷直流电机具有控制方便、功率密度高、运行可靠、结构紧凑等显著优点，在伺服系统、电动车辆、机器人及家用电器等领域得到了越来越广泛的应用，但由于位置传感器带来的额外费用及无法在苛刻条件下使用等缺陷

2、使得人们不得不开始研究无位置传感器的控制方式。无传感器控制的关键技术之一为利用电机运行过程中的电磁信号来准确推算出转子位置，完成电流换向，实现位置传感器的功能。在电机静止或者运行速度很慢的情况下，很难由微弱的电磁信号来获取准确的位置信号，因此电机的顺利启动也是一个极为关键的步骤。在过去的三十年里，各种各样构思巧妙的无传感器控制方案被相继提出，调速范围也不断得到扩展。特别是近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，大量高速度高精度的微处理器、数字信号处理器（）相继问世，在实时性和精度保证下，无传感器控制方案也向更加复杂更加智能的方向发展。结合了模糊控制、智能控制等先进控制方式的算法大大提高了电机控

3、制系统的鲁棒性。国内外研究现状：1.检测及控制方案：根据不同的转子位置检测技术，无刷直流电机的无传感器控制方案可以大致分为以下几类：1.反1电动势法：理想的无刷直流电机的反电动势及驱动电流波形如图1所示：图1：无刷直流电机的反电动势及驱动电流波形常用的无刷直流电机驱动电路及其等效电路如图2所示图2：无刷直流电机的驱动电路及等效电路（染色部分）1.1传.统1的反电动势检测对于使用120导通方式的全桥驱动电路，无刷直流电机中在任何时刻都只有两相是导通的，另一相处于悬空状态，因此可以将悬空着的另一相作为传感器。等人提出了使用反电动势过零检测来实现换向的方法1。通过检测悬空相反电动势的过零点，并经过3

4、0电角度的延时后，就可以得到下一个换向时刻。这是反电动势过零检测法实现换向的雏形。为了降低噪声干扰，提高检测的精度，需要使用低通滤波器来处理检测信号。另一方面，延迟30电角度的时间与电机的转动速度有关，因此在电机加速或者减速运行时，延迟时间精确度会受到影响，进而影响电机的控制性能。同时，由于低通滤波器的引入，滤波带来的延时也需要考虑。2中详细讨论了反电动势过零检测后的相位修正处理方法。以最常用的分压并经过电容滤波来处理检测信号为例（见图3），则由于滤波处理带来的相角移位为（）其中为反电动势运行频率。由式（）可知，在不同的运行速度下，低通滤波器带来的相角移位也不同。因此，需要根据检测到的反电动势

5、来推算出电机的运行速度，以做出准确的相位补偿。K3二=乂KTrAF图：低通滤波器由于反电动势正比于电机运转速度，在电机静止或者低速运行时，反电动势不存在或者很弱，因此增大了检测的难度，降低了检测的精度，使得该无传感器控制方案在静止或者低速下无法使用。通常的无传感器控制系统中，首先并没有使用反电动势信息，而是使用另外的方法将电机启动到一定速度后才开始切换到无传感器控制方案。正是由于反电动势检测法的这些特性，电机在低速及高速情况下性能不佳，调速范围大体限制在内：1.1续.流2二极管通断检测法和学者提出了一种间接检测反电动势的方法，该方法大大提高了调速范围和检测精度4在以电角度导通的型联结的无刷直流

6、电机中,信号叠加到逆变器的控制开关信号上，总有一相是开路的。为了实现对转速的控制，将信号叠加到逆变器的控制开关信号上，如图4所示：图4：在可变斩波控制下的驱动信号当为状态时，即有两相被激励时(假设该两相为相和相)，则在这两相中有电流流过；在切换到后的一段时间内，由于电感的作用仍然有电流流过。此时三相定子线圈的中位点的电压为()相端电压为()其中和为开关管和续流二极管的前向压降，二者的值均很小。当满足VC-VF(4，时，相低电压端的续流二极管就会导通。由于、电压值很小，当略小于时式()成立。通过检测该续流二极管的通断情况可以得到反电动势的过零点。如图所示:51-V萌51-V萌L)%图：相低电压端

7、续流二极管通断检测的简化电路该电路通过检测各相低电压端的续流二极管的通断情况来间接实现检测反电动势过零，是对直接反电动势过零检测的扩展。正是由于续流二极管的高灵敏性，该方案能适用在更低速的情况下。根据中的数据，该方案的调速范围为。在的低速情况下就能正常工作，这无疑大大简化了电机的启动步骤。由于续流二极管导通检测法是在为状态下检测的，因此占空比被相应地限制了。过高的占空比将导致处于状态的时间过短，增加检测的难度。同时，为实现高精度的电流检测，相比传统的反电动势过零检测方法，该方案需要更多的附加电路，一定程度上增加了成本。1.1线.反3电动势检测针对传统的相反电动势检测法需要做30电角度移位的缺点

8、，5中提6出了使用线反电动势过零来作为换向信号的方案。图6绘出了理想情况下线反电动势的波形：图6：无刷直流电机线反电动势波形从图中可以看出，线反电动势过零点即为电流的换向点。理想条件下，该方案略去了与速度相关的30相角延时，能够及时得到准确的换向信号。但实际情况下，为了去除高频噪声的影响，必须使用低通滤波器来处理得到的信号。这样必将引入一个由滤波器带来的信号滞后，影响电机的控制性能。为了解决这个矛盾，中使用了常用的滤波器，然后进行相位补偿，根据由滤波器引入的相位滞后值来估计一个阈值，当线反电动势到达该阈值时即认为换向时刻到来。实际上，滤波器的相位滞后值仍与电机的运行速度相关，设计一个在全速度范

9、围内滤波器带来的相位滞后值基本不变且能保证滤波效果的滤波器非常困难1。另一方面，该方案没有改善传统的相反电动势过零检测算法在低速下性能不佳的缺点。因此，该方案适用在低费用及性能要求不高的系统中。1.1可.变4参考电平以上所提到的检测相反电动势过零的方法中，均使用电机中定子线圈的中位点的电压作为参考电平。由于在电机的控制过程中高频开关信号导致定子线圈的中位点电压一直在不断变化，因此处理相反电动势时需要使用低频滤波器滤去高频成分。在文献7中8，提出了一种可变参考电平的相反电动势过零检测方案。以相悬空时为例，检测相端电压，当为状态时，（5）当为状态时，（6）式（5）中V为逆变器源端直流电压，式（）中

10、为二极管正向压降。根据电机控制速度的需要，当占空比很小时，采用式（）来检测反电动势，并注意到低速时的效果不能忽略，因此在检测到的端电压上叠加上一，补偿偏置；当占空比很大时，采用式（）来检测反电动势，此时的参考电平是一。这种方式很大程度上降低了信号引入的高频噪声，因此控制性能良好。根据，调速范围可以扩展到。一.三2次谐波法：反电动势三次谐波检测也是一种高效的方法。通过对电枢三相相电压的简单叠加，反电动势的基波分量及一些高次谐波分量由于同相而互相叠加，可以从中提取出3次谐波分量在任何转速及负载的情况下3，次谐波分量与转子磁势总是保持一个恒定的相位差，并且不受逆变器变流干扰的影响一。一通过对三次谐波

11、信号的积分，可以得到转子的磁通信号的三次谐波分量。检测磁通信号的三次谐波分量的过零点即得到换向信号。由于该方法不像反电动势检测法那样对高频信号和相移敏感，因此能获得更高的调速范围，也不需要设计高性能的滤波器。使用反电动势三次谐波检测可以达到的调速范围。一中0给出了使用反电动势三次谐波检测来提高电机性能的另一种途径：使用精心设计的转子结构来增加检测的精度，提高电机的性能。一.智3能方法：智能算法具有较强的自调节能力、鲁棒性好、对参数较为不敏感的优点。在无刷直流电机运行中，其电磁信号含有大量高频噪声，且电机的参数可能随着运行时间、外界温度等参数而发生偏移，针对这些特性，可以利用智能算法的自适应及强

12、大的泛化能力来实现鲁棒控制。文献一中4利用了模糊逻辑来实现对转子位置的准确估计，收效良好。一5中均一以6反电动势检测为基础，使用智能算法来改善电机工作性能。中使用神经网络与传统调节器相结合的方式，以反电动势检测为基础，使用神经网络来实时调节参数，以在最大程度上减少由于反电动势检测偏差及相移偏差带来的影响。一中6使用模糊逻辑作为电机转速控制的算法，调节占空比，效果优于传统控制方法。使用智能算法来提高电机性能的方案在通常情况下分为两类，一是建立在反电动势过零检测的基础上，利用智能算法的自适应性及泛化能力修正由于反电动势检测和相位补偿带来的误差，另一种情况是设计观测器（如卡尔曼滤波器），通过检测电机

13、电磁信号，结合电机运行时的状态方程，充分利用智能算法较好的容错性及对参数不敏感的特性估测转子位置或者磁链等信息。引入智能算法大大增加了系统的运算数据量及复杂度，但是随着高速数字信号处理器的发展，实时性和准确性都能得到保证，因此使用智能算法提高控制系统的性能是一个很好的选择。一.其4他方法：传统反电动势过零检测方法需要相移，中采取了方程来检测换向点，避免了移相步骤。根据无刷直流电机的等效电路，有其中则构造即为反电动势项。令由上式可以看出，与电机运行速度无关。为了消除移相的步骤，与线反电动势过即为反电动势项。令零检测类似，使用线线间的，当出现跳变时即为换向点。这种检测方式构思巧妙，但是检测得到的电

14、压、电流信号并没有经过低频滤波器滤波，因此难免会响检测的准确性。在另外一种独特的检测方式中，只用了四个开关管，相反电动势检测在四个开关管中实际上相当于通常情况下六个开关管驱动的电路中的线反电动势检测6。2.启动方式：对于无传感器无刷直流电机的控制来说，启动过程非常重要。只有在电机达到一定的速度情况下才能给检测电路提供足够幅度的电磁信号，因此一个好的启动方式是实现良好控制的必要前提。2.开1环启动：无刷直流电机在本质上是一个同步电机，开环启动就是将直流无刷电机当成一个同步电机来启动。最常用的是三段式启动方式。文献1中8对三段式启动方案作了深入的探究。初始定位阶段，通过对定子两相线圈的激励使得转子

15、定位在一个已知的地方，为了减少转子的震动，提供的激励电流不宜过大。在转子稳定后，根据设计的转动方向提供相应的激励电流，并根据实际情况逐渐增大激励电流的幅值和频率。1中9提议，对于给定的电机，在一定的电流激励下，使用一个测速仪测量电机在该激励电流下的速度变化曲线，则从开始激励到电机达到最大速度时的时间间隔即为最佳激励时间，同时，电机转速达到最大的时刻也是换向时刻，换向后重复这一步骤，直到电机达到一定的速度为止。这种启动方式的成功率很高，但是局限性也很大，不具备通用性。当使用另外一种电机或者改变电机启动所带的负载时，必须重新进行实验以实现最优启动，这是一个不小的工作量。电机达到足够的转速时，不能立

16、即由开环启动的方式切换到无传感器控制方式。若作为同步电机启动时的驱动信号与无传感器控制方案得到的驱动信号之间存在较大的相位差，则很可能会出现失步或者大幅震荡，最终导致启动失败。切换之前必须调节使二者之间的相位差小于一定的范围。2.电2感法启动：文献202中1提出了2一2种全新的启动方式，具有通用性并且能达到30电角度的分辨率。根据定子铁芯的磁饱和效应，定子线圈的电感会随着转子位置的不同而改变，使得定子线圈的时间常数略有变化，因此对于给定的激励电压，不同的定子线圈会有不同的电流响应。如图7所示：（）施加的同样的激励脉冲，得到各种情况下的电流响应，找出其中最大的电流值对应的线圈组合，如图8所示：图

17、8：启动电压向量图在图中，由于转子永磁体的影响，使用激励电压向量（即激励线圈组合）时会得到最快的电流响应。在激励电压施加一段时间后测量各种情况下的电流值即可找出最快电流响应的线圈组合，最佳激励时间可以根据线圈的时间常数求出。此时已经找出转子的初始位置，第一步完成。找到转子的初始位置后，根据旋转方向可以确定接下来的激励电压向量。由于此时定子线圈中已经有了反电动势，因此不能再像确定初始位置时那样来确定转子的位置。假设此时的激励线圈为（对应激励电压向量4,经过换向后为（对应激励向量5，则将测试激励矢量限制在和之间。采用的方式为：使用长脉冲作为驱动，同时间隔性地使用激励，并监测这两种激励下的电流响应，

18、当发现激励下的电流响应快于激励下的电流响应时，开始实施换向。如此循环，直到电机达到足够的速度。相比开环启动，这种启动方式具有较好的通用性，在电机类型或电机负载改变时仍能适用。随着等高速数字信号处理器的发展，可以通过多次测量的方式来降低噪音带来的干扰。该启动方式的缺点是在加速过程中，由于交替使用了长短两种激励电压向量，且在两种不同电压向量激励下产生的转矩不同，因此存在转矩波动的问题。总结：反电动势过零检测仍是无传感器控制方案中的主力军。该方法应用广泛，发展臻于成熟，在中速范围内性能良好，且对硬件及软件要求不高，是低成本中性能控制器的首选方案。如何拓宽反电动势过零检测方案的调速范围是研究的主要方向2。3在低速范围内，反电动势三次谐波检测方案优于