武汉理工大学

毕业设计（论文）

一种低成本的无位置传感器无刷直流电机驱动器

摘要：本文介绍了一种低成本的无位置传感器无刷直流电机驱动器。电机从简单的对准和运行方法开始，达到一种速度，在该速度下基于绕组反电动势的传统无传感器算法可以检测到准确的换向时刻，然后利用滤波后的线对线反电动势交叉点来找到转子位置。速度和电流采用可变结构滑模控制进行控制。该驱动器使用低成本的微控制器和一个电流传感器，这使它成为具有成本效益的驱动器。通过在低成本高性能数字信号处理器（DSP）微控制器上的仿真和实验证明了上面所述驱动器的性能。上述提出的控制驱动器对于开发低成本的商业和家庭应用是很有用的。

关键词：无传感器；无刷直流；滑膜控制；反电动势

一.引言

最近几年，对工业和家用电器的效率和紧凑性的考虑导致对主要由永磁电机组成的高效电动机的需求大幅增加。 永磁无刷直流电机（PMBLDC）用于家用电器、工业风扇、电动自行车、电动汽车和压缩机。在日本，目前几乎所有的空调机组的压缩机都是使用的无刷直流电机来运行的。德国的目标是在2030年前使国内的所有汽车都用电运行。这些趋势背后的主要原因是无刷直流电机的高效率、高功率密度和紧凑尺寸。这些无刷直流电机的维护几乎可以忽略不计。然而，与传统的电机相比，它们成本更高，需要额外的硬件组件，并且需要更复杂的控制软件。功率半导体器件和微控制器的进步正在降低这些元件的成本，并有利于开发低成本控制器的可行性。由于这个原因，许多行业正在用永磁无刷直流电机和永磁同步电机来代替已经安装的单相感应电机。最近几年，对永磁无刷直流电机（PMBLDC）不断增长的需求导致了这一领域的巨大研究和创新。发现稀土材料的新来源是实现更加经济生产无刷直流电机（BLDC）的额外好处。

无刷直流电机是一种电子换向电机，由直流电源通过电压源逆变器进行供电。无刷直流电机是带有梯形反电动势的永磁同步电机。转子由永磁体制成，定子具有三相绕组并向电机供电。电机根据磁极之间的吸引和排斥原理旋转。永磁无刷直流电机需要合适的位置信息，以便执行直流电源的精确切换，从而为电机的三相绕组供电。正确的位置感应检测和相应的切换有助于电机产生额定转矩。

借助机械霍尔效应传感器检测位置。这些传感器在有限的温度范围内工作，占用电机的空间，需要额外的电线从电机端传输位置信息，这也降低了系统的可靠性。这些与传感器相关的问题导致开发了无传感器技术来操作无刷直流电机。

图1:无刷直流电机驱动

文献中报道了一些无传感器的启动技术。180度换相启动^[1]和对准并加速^[2]是最简单的方法，其中电感式感应^[3]实现起来很复杂，不适用于低电感电机。目前已经有各种无传感器驱动技术，这些技术可以在没有任何位置传感器的情况下，对无刷直流电机进行换向。反电动势过零检测^[4，5，6]是现在最流行的方法，因为它需要的硬件和软件复杂度较低，但是在较低的速度下不能很好地工作。其他发明的方法例如：三次谐波反电动势感测^[7]需要中性点可用性；续流二极管传导技术^[8]需要额外的硬件；反电动势积分技术^[9]有良好的低速性能，但需要接近中性点；这些基于观察器的方法^[10，11]需要大量的计算。在所有上述无传感器技术中，反电动势法因为其电路配置简单，不需要任何电压传感器，以及较少的数学计算而被普遍使用。一般来说，电压、速度和电流是任何电机驱动器的控制参数。传统的滞环控制^[12]提供可变的开关频率；在不确定的干扰情况下，最流行的比例积分（PI）控制^[13]无法提供理想的性能；而在不确定性和噪声的情况下，滑模控制^[14]能提供更好的性能，因为它具有更稳健的控制能力算法。

本文所提出的驱动是从对准和运行方法开始，转子位置通过线反电动势的过零点检测，并使用滑模控制进行控制。它还具有电压、速度和电流控制功能。在各种常用的控制算法中，包括比例积分（PI）控制、滑模控制、模糊逻辑控制和滞环控制，本处选择了一种滑模控制器。无刷直流电机系统的非线性和系统参数的变化往往会影响比例积分（PI）控制器的性能。滞环控制具有一个可变的开关频率问题。滑模控制是一种非线性的控制方法，由于其电路复杂度较低，并且对电机速度和绕组电流的精确控制具有鲁棒性，所以它被采用了。

然而，当电机处于静止或低速时，反电动势几乎为零，几乎不可能检测到换向的瞬间。因此，以反电动势过零法启动电机是不可行的，必须在现有的可用技术中采用一种技术。本文中采取了一种简单的启动技术，即“对准并运行”，然后将电机驱动至可以进行反电动势检测的最低速度。这种启动方法实施起来非常简单，不需要额外的电路。但是，最开始运行时电机也可能会出现反向旋转的情况。

二.无传感器启动

这个应用启动方法的概念非常简单。电机以采用对准和运行技术启动。接通一个上桥臂开关和一个下桥臂开关，从而使转子移动到我们已知的预定位置。在将转子设置到预定位置后，施加频率递增的同时触发脉冲。当转子试图捕获定子磁通并且加速至中速范围时，传统的无传感器便开始了运行。

三．无传感器运行

如图2所示，基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的电压源逆变器连接到三相无刷直流电机。放置一个电流传感器来测量通过直流母线或直流电源的电流。位置霍尔信号在这里没有连接到系统，它们实际上是通过以下解释的方法产生的。

图2：由电压源逆变器供电的无刷直流电机

在中性反电动势方法中，30度到零交叉点的相移可以与实际换向信号精确匹配，但一般都无法接近中性点。使用星形连接的电阻网络可以创建虚拟中性线，但是它会吸引额外的功率损耗，因此采用了线对线反电动势法，因为它可以在没有任何额外元件的情况下轻松进行测量。电机的反电动势无法直接测量，因此它是从端子电压得出的，如下面所述：

由图2电路所示，将基尔霍夫电压定律应用于电动机的三个绕组：

（1）

（2）

（3）这里有：

为线路反电动势（V）;

为线路端子电压（V）;

L为绕组电感（H）;

R为绕组电阻（Omega;）;

为绕组电流（A）;

由于电机电阻非常小，电枢电阻的下降与施加的电压相比将非常小，因此可以忽略不计。从等式（1）到等式（3），可以看出，若忽略电枢压降，则反电动势等于端电压。

线对线反电动势过零点法已经被用来确定霍尔信号。霍尔信号的过零点与线路反电动势的过零点重合，如图3所示。

图3：反电动势和霍尔信号过零点

因此，可以通过检测端子电压的过零点来确定换向时刻。但是当电机由脉冲宽度调制（PWM）控制时，在其端子电压中存在PWM频率的高次谐波。由于这个原因，检测真正的过零点变得困难。这些高次谐波通过低通滤波器滤除。虽然消除了高次谐波，但是低通滤波器中包括了一个与速度有关的不希望的相移，这阻碍了精确的换相。因此，希望通过额定速度选择合适的滤波器电路参数来最小化相位延迟。

如图5所示，一个小滤波电容器的分压器电路，用于测量平均端子电压。电位计将端子电压信号降低到可以与微控制器相互作用而不损坏它的电平。该电路是单级RC低通滤波器，在产生虚拟霍尔信号中引入了延迟。延迟由下式给出：

(4)

这里有：

滤波元件的选择应能在额定转速为4000转/分时提供非常小的相位延迟，约为5度。因为微控制器无法读取负信号，所以滤波器的输出信号通过二极管接地，以防止产生负信号。

四.滑模控制

滑模控制（SMC）是一种非线性控制理论，具有精确、鲁棒、易于调整和易于实现的特点。由于无刷直流电机也是一个非线性系统，滑模控制（SMC）可以被认为是最合适对其速度和电流的控制技术之一。滑模控制（SMC）对系统中的干扰和扰动具有自适应的能力。这里可以选择特定的滑动函数来设置系统行为，并且可以使闭环响应对特定的干扰不敏感。

无刷直流电机的数学模型是它的状态方程通过获得其控制电气和机械部分发展起来的。

（5）

（6）

这里有：为直流母线电压（V）

为反电动势（V）

为绕组电感(H)

为绕组电阻(omega;)

为绕组电流(A)

为产生的扭矩(Nm)

为转动惯量(kg.m²)

为摩擦系数(kg/ms)

为机械速度(rad/s)

为负载扭矩(Nm)

滑动面S被选择为：

（7）

其中是误差，是常数。

为了控制速度和电流，这里使用了两个回路。

（8）

（9）

为了减少抖动现象，采用了指数趋近律。

（10）

（11）

，是决定系统达到滑动速度的速度，而，是设定的系统响应速度。所以必须正确设置这些常数。

参考扭矩可以使用公式（7）和（12）从外速度环找到。

（12）

并且电机绕组的参考电压可以从等式（5）和（11）找到，

（13）

五.仿真结果

在MATLAB/Simulink软件中，对一台105瓦，4000转/分的电机的无传感器驱动进行了仿真。该驱动器的框图如图4所示。仿真模型包含有实际电机参数、参考速度或电压、控制算法、脉冲宽度调制（PWM）开关脉冲和测量值的电动机模型。

在Simulink中设置了参考速度，并根据所控制变量的误差来修改开关信号的脉冲宽度。最后，该系统达到稳定状态并稳定下来，直到出现任何扰动或参考值发生变化。

图4：无传感器无刷

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