无位置传感器bldc换相检测方法研究

题 目 专 业 班 级 学  号 姓  名 指 导 教 师学 院 名 称 电气信息学院 xxxx年xx月xx日无位置传感器换相检测方法研究ofCommutationforMotor学生姓名: 指导教师:II摘 要无刷直流电动机（BrushlessMotor,简称BLDC）是一种典型的机电一体化产品，多地受到人们的青睐。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部分，不仅增加了系统的成本和复杂机械式位置传感器而采用其他方法检测转子的位置信号，能扩大无刷直流电机的发展前景。无位置传感器BLDC运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获取转子磁极的位置，目前比较成熟的无位置传感器BLDC运行控制方法有：反电动势过零检测法、定子三次谐波检测法和续流二极管电流通路检测法。选用反电动势过零点检测法，详细叙述其检测原理，并对转子误差产生原因和换相超前、脉动的方法最后在Simuink环境下建立基于反电动势过零点的换相检测模块并对其进行分析。关键词：无刷直流电动机；无位置传感器；换相检测；反电动势过零检测法；SimulinkIIIIMotorisatheofitlonglowofitbyThemostoftheispositionnotonlytheofthebutthetheittosomeofthethetothepositionexpandtheofthetheofusingtheisactuallythebyusingthemotorthetheofofthediodeThisbothhomemotorthemotoraoftheofistheinthisitsThetheofthepositionontheontheofthe,theisputthemoduleisontheofinthe目 录摘 II111.111.221.331.44262.162.262.392.4102.53163.1163.2163.3183.43.5214.244.1244.2254.3264.44.5304.6315325.1仿真软件简介 325.25.335637111直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。3%、调速比大于1:10000的水平，因此越来越多的受到人们的青睐。1.1选题背景与意义无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触的电刷-换向器结构一直都是电流电机的一个致命的机械换向装置，人们进行了长期的探索。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步在无刷直流电动机永磁材料和驱动控制技术水平的制约使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时导体工业的飞速发展许多新型的全控型半导体功率器（如TRMSETGBT等）等）陆续出现，这些均为无刷直流号进行逻辑处理并产生相应的开关信号开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关的致命缺点。与有刷直流电动机相比，无刷直流电动机有以下特点：（1）可靠性高，寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无PAGEPAGE4甚至只有几分钟。（2）不必经常进行维护和修理。（3）无电气接触火花、无线电干扰少，可工作于高真空、不良介质环境。（4）可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上。（5）机械噪声低。（6）发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度监控，易得到更高的功率密度。（7）必须与一定的电子换相线路配套使用，从而使总体成本增加，但从控制的角度看，有更大的使用灵活性。1.2无刷直流电机的研究动机正受到普遍关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，动机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电动机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性目前无刷直流电机的航天等领域已得到大量应用。目前，无刷直流电动机的研究主要集中在以下方面：（1）无机械式转子位置传感器控制。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的PAGEPAGE15机以无转子位置传感器方式运行。（2）转矩脉动控制。存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随着转速动机性能的重要方面。（3）智能控制。随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发电动机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。1.3转子位置信号检测方法综述位置检测器是无刷直流电动机的重要组成部分包括有位置传感器检测和无位置传感位置传感器控制方法主要有反电动势过零检测法和定子三次谐波检测法等。在无刷直流电动机中，常用的位置传感器主要有以下几种类型：（1）电磁式位置传感器。利用电磁效应来测量转子位置，具有信号大、工作可靠、在普通条件下的应用。（2）磁敏式位置传感器。由霍尔元件或霍尔集成电路构成，结构简单、性能可靠、成本低，是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。（3）光电式位置传感器。由装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组成，遮光盘上开有180°电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数。光电开关通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。常用的无位置传感器位置检测方法有：（1）反电动势检测法。通过测量不导通相的端电压，与电机的绕组中点电压进行比势为0或太小，因而无法利用。（2）续流二极管工作状态检测法。通过对逆变器开关管加以特殊时序的斩波控制信开相开关管并联的续流二极管中将流过续流电流通过对该续流二极管导通与否的检测就也是绕组的反电动势但是检测的灵敏度相对较高在电机额定转速的2%以上有效起动容易，调速比大。缺点是实现电路稍复杂一些。（3）三次谐波检测法。对于无刷直流电动机，绕组反电动势为梯形波。经过个周期对应基波分量的邻两次换向的时间间隔相同只是相位相差90°电角度因此将反电动势的三次谐波分量移相90°电角度以后得到的信号就可以作为转子位置信号其每一个过零点均对应着（4）瞬时电压方程法。利用电机各相瞬时电压和电流方程，实时计算电机由静止到正常运转任意时刻转子的位置控制电机的运行该方法不需专门的起动线路电路简单，起动转矩大。但对电机本体的数学模型依赖性大，当电机参数因温度变化发生漂移时容到转子位置检测的实时性，必须采用具有快速运算能力的和高速转换器。这种方法还适用于正弦波无刷直流电动机。1.4本文研究内容系统。所要做的工作具体如下：（1）在了解无位置传感器无刷直流电机换相检测研究现状的基础上，详细分析无刷直流电机的系统结构和工作原理。（2）充分理解反电动势法的优势及运用原理，深入探讨反电势过零检测法的几种常用实现方法，对各种实现方法进行理论分析。（3）找出造成无位置传感器无刷直流电动机控制中造成转子位置检测误差的原因并解决方案。（4）对换相引起的转矩脉动进行深入分析，并提出抑制转矩脉动的解决方案。（5）在环境下建立基于反电动势过零点检测法的换相检测模块，并进行分析。22.1无刷直流电动机的组成无刷直流电动机的组成原理框图如图所示。无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机,就其基本组成结构而言,可以认为是由电力电子开关逆变器永磁同步电动机和磁极位置检测电路三者组成的“电动机系统。信号进行逻辑变换后产生驱动信号驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。图无刷直流电动机系统的组成2.2无刷直流电动机的基本工作原理以图所示的无刷直流电机系统来说明无刷直流电动机的工作原理。电机本体的电驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。图三相无刷直流电动机系统当转子旋转到图经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图当转子在空间转过60°电角度到达图2（b所示位置时转子位置传感器输出的两相绕组通电电流从电源的正极流出，经流入A相绕组，再从C相绕组流出，经回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势a如图2b所示此时定转子磁场相互作用使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60°电角度逆变器开关就发生一次切换功率开关管的导通逻辑为在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。在图子合成磁场在空间保持图2-3（a）中Fa的位置静止。只有当转子磁场连续旋转60°电角度，到达图2-3（b）所示的Fr位置时，定子合成磁场才从图2-3（a）的位置跳跃到图Fa磁场，每个步进角是60°电角度。图无刷直流电动机工作原理示意图转子在空间每转过60°电角度定子绕组就进行一次换流定子合成磁场的磁状态就应于转子旋转120°电角度。我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种方式。由于定子合成磁势每隔1/6周期（60°电角度）跳跃前进一步，在此过程中，转子磁极上的永磁磁势却是随着转子连续旋转的这两个磁势之间的平均速度相等保“同步，2.3无刷直流电动机的数学模型用。下面以两相导通星形三相六状态方式为例，分析无刷直流电动机的数学模型。变换已不是有效的分析方法。因此我们直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。为了简明起见，现做如下假设：（1）电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形（近似为方波）分部。（2）定子齿槽的影响忽略不计。（3）电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计。（4）忽略电机中的磁滞和涡流损耗。（5）三相绕组完全对称。由于转子的磁阻不随转子位置的变化而变化，因此定子绕组的自感和互感为常数，则相绕组的电压平衡方程可表示为：ua

r 0

0ia L

M M

ia

ea

d ub0 r

0ibM

L M

ibeb

（2-1）uc

0 0

ric

M M

L

ic

ec式中 ua、ub、uc——定子相绕组电压（。a、b、c——定子相绕组电流（。a、b、c——定子相绕组电动势（。r——每相绕组的电阻（Ω。L——每相绕组的自感（H。M——每两相绕组间的互感（H。由于三相绕组为星形连接，0，因此0以变为：

ua

r 0

0ia

LM 0

0

u0 r

0i

0

LM

0 d

ie

b

b

dtb

buc

0 0

rc 0

0 LM

c

c由此可得无刷直流电动机的等效电路如图所示。图中，Us为直流侧电压，VT1～T6为功率开关器件D～D6为续流二极管，M

LM,图中标出的相电流和相反电PAGEPAGE16动势的方向为其正方向。

图无刷直流电动机的等效电路22所代表的是一个等价地实现相间磁路关系解耦的相电压模型但由于电机的接测取，因而相电压实际上是未知量，已知量为直流侧电压（线电压，所以该模型还不能直接求解相电流的变化规律。2.4无刷直流电动机的反电动势无刷直流电动机气隙主磁通的分布波形如图2（所示当转子旋转速度为恒值似为梯形波。为了减小转矩脉动，反电动势波形的平顶宽度应大于等于120°电角度。通常把相反电动势看成平顶宽为120°电角度的梯形波，如图2-5（b）所示。三相绕组的反电动势依次相差120°电角度。设电枢绕组导体的有效长度为v的电动势为：

ev（2-3）vDn2nm/s） 24）式中 D——电枢直径。p——电机的极对数。——极距。

60 60n——电机的转速，单位为r/min。

(a)(b)图无刷直流电动机气隙磁密及反电动势波形如果电枢绕组每相串联匝数为，则每相绕组的感应电动势幅值为：'Eme nCnV） 25）1i式中 ——每极磁通量，单位为Wb，a。' ' Ce——相电动势常数，Ce 。1ii——计算极弧系数。2.5利用反电动势法检测转子位置1.用端电压法检测反电动势过零点已经给出两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的主电路原理图22根据电路图，可以列出电机三相绕组输出端对直流电源地的电压方程组为：ua0rub0ruc0r

dtdtdt

uNuNuN

（2-6）式中 ua0、ub0、uc0——三相绕组输出端对直流电源地的电压。uN——三相绕组中性点N对电源负极的电压。由于电机的一个通电周期有六种工作状态，且每种状态呈现一定的对称性或重复性，因此我们只需对一个状态进行分析如图26所示设T1和T6导通即AB相通电，C相关断。则两相电流大小相等，方向相反，而C相电流为0。图2-6A、B相导通时的电流回路图由于C相电流为uc0uN

（2-7）由于，且在过零点处0。将方程组（2-6）中的第一、二式及式

u 1N 3 a0

ub0

uc0)

（2-8）所以，C相反电动势过零检测方程为：uc0

uN

uc0

13 a0

ub0

uc0)

（2-9）同理可得两相反电动势过零检测方程，则反电动势过零检测方程组为： 1ua03(ua0ub0uc0)ub0

1(ua0ub0uc0)31

3uc0 (ua0ub0uc0)3由于无刷直流电动机采用ua0、ub0、uc0分压后，经滤波得到检测信号Ua0、Ub0、Uc0，如图所示。图示电路是通过检测三相绕组输出端对电源负极的电压来检测反电动势过零点的我们称之为基于端电压的反电动势检测，或“端电压法。图2-7基于端电压的反电动势检测电路“端电压法的反电动势过零检测方程还有其他形式由于在C相绕组的反电动势过零时，，uN的另一种表达式：u 1N 2

a0ub0)

据此可以得到三相绕组反电动势过零点检测方程组的第二种形式为： 1ua02(ub0uc0)ub0

1(ua0uco)21

2uc0 (ua0ub0)2可以证明，检测方程组（2-10）和（2-12）是完全等价的，但方程组（2-10）中的中性点电压计算具有普遍性，因此应用更广。另外，在相导通，C相关断时，根据图可以列出方程组：uNUsuaUsr

dt

)

(irL

e)N b

b Mdt b由于在C相绕组的反电动势过零时，，故将方程组（2-13）中两式相加可得：

1uN Us2

相）的反电动势过零时，uc0反电动势过零检测方程组的又一种形式为：

Us2

0 1ua02Us 1ub0 Us 2 12uc0 Us2

检测方程组（2-15）虽然比较简单，但监测的正确性受控制方式的影响较大，在一些控制方式下并不适用，使用时必须加以注意。2.用相电压法检测反电动势过零点如果将图中检测电阻的中性点O所示的检测电路。根据电路的对称性原理，uouN中检测信号Ua、Ub、Uc实际上反映了相电压ua、ub、uc所示的检测电路称为基于相电压的反电动势检测电路，将这种检测方法称为“相电压法。图2-8基于相电压的反电动势检测电路由于某相绕组断电时，该相绕组的相电压大小等于其反电动势，所以采用图所示的电路检测时，反电动势的检测方程组为：uaubuc

也就是说，当采用图2-8所示的电路检测反电动势时，直接检测到物理量是相电压，因此不需要计算电机的中性点电压。33.1换相点的确定检测到反电动势过零点后再延迟30°电角度即为无刷直流电动机的换相点换相原理如图所示，相应的功率开关切换顺序如表所示。图30°电角度换相原理图表功率开关切换顺序正。3.2转子位置检测误差产生原因1.滤波电路移相产生的转子位置检测误差在反电势法检测无刷直流电机转子位置的方法中,引入RC低通滤波电路对端电压进行滤波,以消除端电压信号中的干扰信号。低通滤波电路的引入,将会导致滤波后的电势波形移相。生在反电动势过零点延迟30k60(kk1检测的误差。2.器件延时和代码运算产生的转子位置检测误差的延时比较小在电机转速不是很高的情况下对于转子位置的判断不会产生很大的影响。但是，当电机转速比较高的时候，器件的延时所产生的影响就不能被忽略了。在反电势过零点检测的无刷直流电机控制系统中，从反电势检测到控制信号的输出，通常需要经过以下过程：（1）端电压先经过滤波电路滤波，经过比较器得到过零信号，然后光耦器件隔离和整形驱动器件后到达处理器；（2）过零信号经过处理器的判断运算后输出换相信号，处理器输出的换相信号经过3.其他原因产生的转子位置检测误差当电机定子绕组为星形连接时通常采用经滤波后的非导通相的端电压与电机的中性点电压相比较，得到反电势的过零点信号。但由于电机绕组的中性点一般不直接引出通零点的检测误差。置误差。但这两种原因造成的转子位置检测误差不会太大。3.3换相分析最佳换相逻辑是指绕组在梯形波反电势的平顶部分导通[9]，与之对应的最佳换相位置是指在换相完成后，定子磁势超前转子磁势120°电角度，如图所示。其中，Fa和分别表示定子磁势和转子磁势。在一个工作状态内定子磁势平均超前转子磁势90°电角度，平均电磁转矩最大。（a）滞后换相 （b）超前换相图换相位置示意图迟时间tZC偏大，如图所示。滞后换相时，转子超过最佳换相位置的角度应小于30°左移，端电压的部分左侧波形被湮没，过零点到换相点的延迟时间tZC偏小。滞后换相和超前换相都会引起电机电磁转矩波动，转子运转不平稳。（a）滞后换相（b）超前换相图滞后换相与超前换相示意图3.4延迟时间设置方法根据过零点超前换相点30°电角度的原理，在检测到过零点后，设置延迟时间tZC确定换相点。理想运行状态下，过零点与换相点等间隔分布，彼此相差30°电角度。因此，可根据过零点的间隔时间来设置延迟时间[9]，将延迟时间设置为上次过零点到本次过零点时间的一半，如图所示。图中，Z(k)、C(k)分别表示第k次过零点和第k次换相点，当检测到第k次过零点时，延迟时间如下设置：tZC

(k)(k2

（3-1）式中 (k——第k1次过零点到第k次过零点的时间。tZC(k)——第k次过零点到第k次换相点的延迟时间。图延迟时间设置方法1PAGEPAGE38匀时，这种延迟时间设置方法能较好地实现无刷直流电机的无位置传感器控制。由于电机制造工艺等方面的影响实际的无刷直流电机存在三相绕组并不完全对称的并不均匀。假设A相反电动势存在相位偏移，波形上升和下降部分上的过零点之后出现，导致过零点在时间轴上分布不均匀，如图所示。过零点的间隔时间,(2)和不相等。每相反电动势波形上升和下降部分的2个过零点相差180°电角度，过零点间隔时间存在着周期性规律，如(4),TZZ(2)和TZZ(6)。图A相反电动势存在偏移时的三相反电动势波形为使换相点位于相邻2个过零点的中间位置，如图所示，过零点的间隔时间(k和(k)相等，当检测到第k次过零点时，从第k次过零点到第k次换相点的延迟时间tZC(k)为：

tZC

(k)(K2

(3-2)式中 (k——第k3次过零点到第k2次过零点的时间。图延迟时间设置方法2当三相反电动势波形的间隔时间长度不是理想的120°电角度，过零点间隔时间不相2个过零点的中提高了电机运行的可靠性。3.5滤波的相移修正方法延迟30°电角度。根据图或图2-6，通过理论计算可以很容易的得出检测电路产生的相位移。以A相为例，可得检测点电压Ua0或Ua与绕组端电压ua0或相电压ua之间的关系为Ua0Ua

(3-3)ua0

ua 12jf121式中 、——分压电阻。f——反电动势频率。1——滤波电容（pF级。atgf12C

因为反电势的频率同电机转子的电角频率成正比所以触发延迟角同电机的转速也围时，相位延迟角的修正有所不同。（1）当030时，如图3-7（a）所示，检测的反电动势过零点从m点移到m'点。当反电动势过零后，相位延迟角应调整为30，即再延迟角进行换相。3060m已经移相到换相点nm'120°导通区间内，本相电枢反电动势大小为e

（3-5）式中 K——电机常数。

ex

K130

（3-6）式中 ex——反动势修正偏移量，xa,b,cK(

上半桥 30故有 ex

（3-7）K(

下半桥

a

301

a

eae

1

11

e

（3-8）b

Ub 3

Ub bc

Uc

1

1Uc

c（a)030（b）3060图反电动势相位延迟原理图44.1转矩脉动的定义及引起转矩脉动的原因转矩脉动是无刷直流电动机一项十分重要的性能指标，我们把转矩脉动定义为：T100%

（4-1）TrTN式中 r——转矩脉动（%。——最大电磁转矩。——最小电磁转矩。——额定运行时的平均电磁转矩。造成转矩脉动的原因主要有以下几种：（1）电磁因素引起的转矩脉动。在理想情况下，即当电枢为集中绕组结构，转子磁密在空间的分布为180°的方波，电动势波形具有大于等于120°电角度的平顶时，无刷直流电动机的转矩与转子位置无关。但实际电机不能做到极弧系数为1，且常常采用分布绕组，因此会引起转矩脉动。（2）换相引起的转矩脉动。由于电枢绕组电感的影响，换相时存在电流延迟，从而引起转矩脉动。采用重叠换相控制可以抑制换相引起的转矩脉动。（3）定子齿槽引起的转矩脉动。由于定子齿槽的存在，转子旋转时气隙磁阻发生变化，从而引起转矩脉动。减少齿槽转矩脉动最常用的措施是采用定子斜槽或转子斜极也可以通过增大气隙或采用分数槽绕组来减少齿槽转矩脉动采用无槽电机则可完全消除齿槽转矩脉动。（4）电枢反应的影响。电枢反应对转矩脉动的影响主要反应在以下两个方面：一方电枢反应磁场与连续旋转的转子主磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化。为减小电枢反应对因气隙磁场畸变而产生的转矩脉动影响电机应选择径向充磁的瓦形或环形永磁体结构或适当增大气隙。（5）机械工艺引起的转矩脉动。机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要小转矩脉动的重要因素。4.2换相过程中的相电流和转矩通星形三相六状态为例分析无刷直流电动机换相引起转矩脉动的机理。当逆变器的功率开关由TT2导通变成TT3导通时电路状态由C两相绕组导通切换为B、C两相绕组导通。由于电枢绕组电感的影响，电流换相不是瞬时完成的在换相过程中A相电流由D4续流逐渐减小为0B相电流逐渐增大达到稳定值。为了简化分析，忽略电枢绕组的电阻，则换相过程中电路方程可变为：MM

dtdt

(LM(LM

dtdt

)0)Us

（4-2）0由于电机各相绕组的反电动势为平顶宽大于等于120°电角度的梯形波，所以： Em

（4-3）由于0，所以：

（4-4）dt dt dt2LM

dt

dt

2Em0

（4-5）L 2L

2EUMdt

Mdt m sdt

Us2Emdi

2E) b s m

（4-6）dtdi

U4Ecdt

s m解上述微分方程组并考虑各相电流的初值和终值为换相前后各相前后各相电流的稳定值，可得：

IUs2Emt

s

Em)t

（4-7） U

4EI——相电流的稳态值。4.3电机转速对换相的影响

I

s m在不同的转速下，电流换相呈现出不同的特点，可分为以下三种情况：（1）在降为0的同时达到稳态，如图所示。令f)0A相绕组的换相时间tf为：tfU

Is2Em

（4-8）令f)IB相绕组的换相时间tf为：tf

IsEm)

（4-9）由式（4-8）和式（4-9）得出的换相时间应该相等，所以要使在降为0的同时达到稳态，即两相同时完成换相，应满足以下条件：Us4Em

速下运行时，两相绕组的换相可以同时完成。图换相情形Ⅰ（2）在降为0时，还没达到稳态值，如图所示。令i')0i降为0的时间t'为：a f a

ftf' ItfUs2Em

此时，B相绕组电流为：

b fi')sEm)Ib f

Us2Em由于此时B相绕组电流I，所以：Us4Em

所以，当Us4Em已降为0，但还没有达到稳态值。图换相情形Ⅱ（3）在达到稳态值时，还没有降为0，如图所示。' '令 f)I达到稳态值的时间tf为：t' ItfsEm)f

此时，A相绕组电流为：

fai')fa

Us4EmIsEm)

由于此时A相绕组电流0，所以：Us4Em

所以当Us4Em时即当电机的转速小于一定值时两换相电流不能同时达到稳态，在降为0之前，已达到稳态值I。图换相情形Ⅲ4.4换相对转矩的影响在换相过程中，电磁转矩为：T1(ei

ei

ei)

1(Ei

Ei

Ei)

e aa

bb cc

ma

mb mc由于0，所以：

c2Emic

2Em(IUs4Emt)

可见，换相期间的电磁转矩与非换相绕组的电流成正比。非换相时的电磁转矩由两相绕组的合成磁动势与转子永磁磁动势相互作用产生其计算公式为：T2EmI

e 下面分析不同换相情况下电磁转矩的变化。（1）当Us4Em时，不难看出换相过程中转矩保持恒定，没有出现转矩脉动。（2）当Us4Em电磁转矩小于非换相时电磁转矩，即换相引起转矩减小。将式（4）代入式（418，得：T')2EmIUs4Em)

e f

Us

2Em不难求得此时转矩脉动为：

rTUs4Emr

Us2Em（3）当Us4Em电磁转矩大于非换相时电磁转矩，即换相引起转矩增加。将式（414）代入式（418，得：T')

2EI m1 m

Us4Em

e f不难求得此时转矩脉动为：

sEm)

Us4EmsEm)

从式（4-21）和式（4-23）可见，换相引起的转矩脉动决定于绕组的反电动势，也就是电机的转速，而与电枢的稳态电流无关。当转速很低或堵转时，Em0，由式（4-23）知r50%当转速很高时Us2Em由（421知r50%当转速满足Us4Em时r0换相引起的转矩脉动随转速变化的关系如图44所示图中横坐标以Em与UsPAGEPAGE35的比值表示。

图换相时转矩脉动与转速的关系4.5转速对换相时间的影响对于换相情形Ⅱ和Ⅲ，可以分别计算出其完整的换相时间。当Us4Em时：tf

IsEm)

当Us4Em时：

tfU

Is2Em

当低速时随着转速的上升由（425知换相时间有所下降在高速时由424）知换相时间随着转速的升高而快速增加；在Us4Em的影响如图所示。图换相时间与转速的关系转矩脉动增大、平均转矩显著下降。4.6换相转矩脉动的抑制在电动机控制上，提前导通下一只该导通的开关管（此时有三只管子道通，使原来处于弱磁区域的绕组电流转移一部分到处于磁密较高的下一相绕组中该电流将产生补偿重叠换流法，可以抑制电流换相过程引起的电磁转矩波动。55.1仿真软件简介Mtlb是美国Mthks公司出品的商数学软件，用于算法开发、数据可视化数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括和两他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理信号检测金融建模设计与分析等领域图51所示为Mtlb的基本工作界面包括Mtlb窗口Commndndos

命令窗口Commndisto（命令历史窗口CuntitoyHelp（帮助）窗口。图Matlab基本工作界面是的重要组成部分，提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。Simulink既离散混合系统。既适用于定常系统，也适用于时变系统。提供的图形用户界面，用户可以用鼠标操作，从模块库中调用标准模块，将PAGEPAGE44数，那就意味着将预先为该模块设置的默认参数值作为该模块的参数。Simulink模块库内容十分丰富，除包括输入信号源（Sources）模块库、输出接收（Sinks）模块库、连续系（Continuou模块库离散系（iste模块库数学运（Mthpations）模块库等许多标准模块外，用户还可以自定义和创建模块。模块库浏览器）界面如图所示。在仿真过程中，用户可以设置不同的输出方式来观察仿真结果。例如，使用Sinks模块库中的模块或其他显示模块来观察有关信号的变化曲线，也可以将结果存放在分析仿真结果的变化，从而获得更加理想的仿真结果。本文所做的仿真正是基于多种功能模块完成的。图SimulinkLibraryBrowser5.2基于反电动势过零检测法的仿真设计由于电机绕组导通的逻辑控制是根据反电动势过零点而得到因此反电动势检测过程是电机控制精确度的关键所在建立的反电动势过零检测模型的作用是通过检测电机三相端电压，得到其过零点信号即反电动势过零信号，如图所示。检测三相端电压，经过到端电压的过零点信号。由第2、3节的理论可知这就是反电动势过零点信号。图反电动势过零检测模块图由于本文只研究了无刷直流电机换相检测这一部分时间的限制也未涉及无刷直流电机120°电角度的梯形波，故本文仿真用交流电源代替供电，如图来测试仿真结果。其中，三个交流电源电角度参数设置为两两相差120°。图本文仿真模型5.3实验结果在本文的仿真模型的这个模块中，当输入电压小于或等于0时，输出为1；当输入电压大于0时，输出为0，故输出波形均在x坐标轴之上，结果如图所示。图仿真结果实物图如图所示。

图实物图6器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机不但具有有刷直流电机良领域得到了广泛的应用。无位置传感器无刷直流电机不但减少了小容量设备的硬件投资，而且简化了电机设计，增加了电机的坚固性，并进一步拓宽了无刷直流电机的应用领域。景。一直以来，我们对这方面的研究在理论方面有很多，但是用于生产实践的缺比较少，题本文从理论方面对无位置传感器无刷直流电机的换相技术展开了较为全面的研究和讨论，主要的工作以及得到的结果如下：（1）详细分析了无刷直流电机的工作原理、换相过程，对其有了深刻的理解。（2）在阐述无位置传感器相对位置传感器的优势并分析反电动势法运用原理的基础上，得到反电势过零检测法中的“端电压法”和“相电压法”算法。（3）对无位置传感器无刷直流电动机控制中造成转子位置检测误差的原因，以及换移修正