畢業(yè)論文--無位置傳感器bldc 換相檢測方法研究

1、<p>　　題目無位置傳感器BLDC 換相檢測方法研究</p><p>　　專 ?業(yè)? 班? 級 </p><p><b>　　學? 號 </b></p><p><b>　　姓?名 </b></p><p><b>　　指導教師</b>

2、</p><p>　　學院名稱電 氣 信 息 學 院 </p><p>　　xxxx 年 xx 月 xx 日</p><p>　　無位置傳感器 BLDC 換相</p><p><b>　　檢測方法研究</b></p><p>　　Research of Sensorless Commut

3、ation for Brushless DC Motor</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　無刷直流電動機（Brushless DC Motor,簡稱 BLDC）是一種典型的機電一體化產(chǎn)品， 它具有可靠性高、壽命長、響應速度快、制造成本低、使用靈活性大等優(yōu)勢，因而越來越 多地受到人們的青睞。</p><p>　　轉(zhuǎn)

4、子位置傳感器是整個驅(qū)動系統(tǒng)中最為脆弱的部分，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復雜 性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時還需要占據(jù)一定的空間位置。因此，取代 機械式位置傳感器而采用其他方法檢測轉(zhuǎn)子的位置信號，能擴大無刷直流電機的發(fā)展前 景。無位置傳感器 BLDC 運行實際上就是要求在不采用機械傳感器的條件下，利用電機的 電壓和電流信息獲取轉(zhuǎn)子磁極的位置，目前比較成熟的無位置傳感器 BLDC 運行控制方法 有：反電動勢過零檢測法、定子三次諧波檢

5、測法和續(xù)流二極管電流通路檢測法。</p><p>　　本文首先介紹無刷直流電機國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，詳細敘述無刷直流電機的工作原理和 換相過程。對目前存在的多種無位置傳感器換相檢測方法，通過比較其優(yōu)缺點，本文最終 選用反電動勢過零點檢測法，詳細敘述其檢測原理，并對轉(zhuǎn)子誤差產(chǎn)生原因和換相超前、 滯后兩種情況進行定性分析。對由于換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動進行分析，并提出抑制換相轉(zhuǎn)矩 脈動的方法。最后在 Simulink 環(huán)境下建

6、立基于反電動勢過零點的換相檢測模塊，并對其進 行分析。</p><p>　　關鍵詞：無刷直流電動機； 無位置傳感器； 換相檢測； 反電動勢過零檢測法； Simulink</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Brushless DC Motor (Brushless DC Motor, referred BL

7、DC) is a typical mechatronic product, the superiority of it are high reliability, long life, fast response, low manufacturing cost and great flexibility of use, therefore, it favored by more and more people.</p>&

8、lt;p>　　The most vulnerable part of the entire drive system is rotor position sensor, not only increases the cost and complexity of the system, but also reduces the system's reliability and performance, at the sam

9、e time, it needs to occupy some space location. Therefore, instead of the mechanical position sensors, the other methods to detect the rotor position signals will expand the development prospects of the brushless DC moto

10、r. On the condition of without using the mechanical sensor, sensorless BLD</p><p>　　This paper describes research status both at home and abroad about brushless DC motor firstly, and detail the working princ

11、iple and brushless DC motor commutation. By introducing a variety of sensorless commutation detection methods and comparing their advantages and disadvantages, the zero cross detection of Back Electromotive Force is the

12、final choice in this paper. Detailing its detection principle. The paper also gives the qualitative analysis of the rotor position detection error and discus</p><p>　　Keywords: Brushless DC Motor; Sensorless

13、; Commutate detection; Back electromotive force zero-crossing detecting; Simulink</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要....................................................................

14、.........................................................................................I</p><p>　　Abstract...................................................................................................

15、........................................................... II</p><p>　　1 緒論.......................................................................................................................

16、........................................... 1</p><p>　　1.1 選題背景與意義......................................................................................................................................... 1&l

17、t;/p><p>　　1.2 無刷直流電機的研究................................................................................................................................ 2</p><p>　　1.3 轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法綜述.................

18、................................................................................................. 3</p><p>　　1.4 本文研究內(nèi)容........................................................................................

19、...................................................... 4</p><p>　　2 反電動勢法轉(zhuǎn)子位置檢測................................................................................................................. 6</p>&

20、lt;p>　　2.1 無刷直流電動機的組成........................................................................................................................... 6</p><p>　　2.2 無刷直流電動機的基本工作原理..............................

21、........................................................................... 6</p><p>　　2.3 無刷直流電動機的數(shù)學模型........................................................................................................

22、.......... 9</p><p>　　2.4 無刷直流電動機的反電動勢................................................................................................................ 10</p><p>　　2.5 利用反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置..............

23、..............................................................................................11</p><p>　　3 無位置傳感器 BLDC 換相分析16</p><p>　　3.1 換相點的確定...............................................

24、............................................................................................. 16</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測誤差產(chǎn)生原因.....................................................................................

25、........................... 16</p><p>　　3.3 換相分析..................................................................................................................................................... 18</p&

26、gt;<p>　　3.4 延遲時間設置方法...................................................................................................................................19</p><p>　　3.5 濾波的相移修正方法................

27、.............................................................................................................. 21</p><p>　　4 換相與轉(zhuǎn)矩脈動...........................................................................

28、.......................................................... 24</p><p>　　4.1 轉(zhuǎn)矩脈動的定義及引起轉(zhuǎn)矩脈動的原因......................................................................................... 24</p><p>　　

29、4.2 換相過程中的相電流和轉(zhuǎn)矩................................................................................................................ 25</p><p>　　4.3 電機轉(zhuǎn)速對換相的影響....................................................

30、..................................................................... 26</p><p>　　4.4 換相對轉(zhuǎn)矩的影響..........................................................................................................

31、.........................28</p><p>　　4.5 轉(zhuǎn)速對換相時間的影響......................................................................................................................... 30</p><p>　　4.6 換相轉(zhuǎn)矩脈

32、動的抑制.............................................................................................................................. 31</p><p>　　5 基于 Matlab/Simulink 的仿真分析32</p><p>　　5.1 Matlab/S

33、imulink 仿真軟件簡介 32</p><p>　　5.2 基于反電動勢過零檢測法的仿真設計..............................................................................................33</p><p>　　5.3 結(jié)果分析...............................

34、...................................................................................................................... 35</p><p>　　6 結(jié)論...................................................................

35、............................................................................................. 37</p><p>　　致謝...................................................................................................

36、..................................................................39</p><p>　　參考文獻.............................................................................................................................

37、.............................40</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　無刷直流電動機最初的設計思想來自普通的有刷直流電動機，不同的是將直流電動機 的定、轉(zhuǎn)子位置進行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對 稱繞組。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替。所以無刷 直流

38、電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機。</p><p>　　無刷直流電動機出力大、控制簡單、成本低，其調(diào)速性能已能達到低速轉(zhuǎn)矩脈動小于</p><p>　　3%、調(diào)速比大于 1:10000 的水平，因此越來越多的受到人們的青睞。</p><p>　　1.1 選題背景與意義 無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的，有刷直流電動機從 19 世</p

39、><p>　　紀 40 年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當長的一段時間內(nèi)一直在運動控制 領域占據(jù)主導地位。但是，有機械接觸的電刷-換向器結(jié)構一直都是電流電機的一個致命 弱點，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的應用。為了取代有刷直流電動機 的機械換向裝置，人們進行了長期的探索。</p><p>　　無刷直流電動機的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術的進步。在無刷直流電動機 發(fā)

40、展的早期，由于當時大功率開關器件僅處于初級發(fā)展階段，可靠性差，價格昂貴，加上 永磁材料和驅(qū)動控制技術水平的制約，使得無刷直流電動機自發(fā)明以后的一個相當長的時 期內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實驗室階段，無法推廣使用。1970 年以來，隨著電力半 導體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導體功率器件（如 GTR、MOSFET、IGBT 等） 相繼問世，加之高磁能級永磁材料（如 SmCo、NdFeB 等）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無刷直流 電動機廣泛應

41、用奠定了堅實的基礎，無刷直流電動機系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展[1]。</p><p>　　無刷直流電機是由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機系 統(tǒng)或自控式變頻同步電動機。位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置信號，控制器對轉(zhuǎn)子位置信 號進行邏輯處理并產(chǎn)生相應的開關信號，開關信號以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關 器件，將電源功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子各相繞組，式電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷 的轉(zhuǎn)矩。由于

42、采用電力電子器件代替機械換向器，無刷直流電動機克服了有刷直流電動機 的致命缺點。與有刷直流電動機相比，無刷直流電動機有以下特點：</p><p>　　（1）可靠性高，壽命長。它的工作期限主要取決于軸承及其潤滑系統(tǒng)。高性能的無 刷直流電動機工作壽命可達數(shù)十萬小時。而有刷直流電動機壽命一般較短，在高溫環(huán)境下</p><p><b>　　甚至只有幾分鐘。</b></p

43、><p>　?。?）不必經(jīng)常進行維護和修理。</p><p>　?。?）無電氣接觸火花、無線電干擾少，可工作于高真空、不良介質(zhì)環(huán)境。</p><p>　?。?）可在高轉(zhuǎn)速下工作，專門設計的高速無刷直流電動機的工作轉(zhuǎn)速可達每分鐘 10 萬轉(zhuǎn)以上。</p><p><b>　?。?）機械噪聲低。</b></p>&

44、lt;p>　?。?）發(fā)熱的繞組安放在定子上，有利于散熱，便于溫度監(jiān)控，易得到更高的功率密 度。</p><p>　?。?）必須與一定的電子換相線路配套使用，從而使總體成本增加，但從控制的角度 看，有更大的使用靈活性。</p><p>　　1.2 無刷直流電機的研究 現(xiàn)階段，雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應用中占主導地位，但無刷直流電</p><p>　　

45、動機正受到普遍關注。自 20 世紀 90 年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、 辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設備都越來越趨向于高效率化、小型化及高 智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效率高等特點， 無刷直流電機的應用也因此而迅速增長。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天，無刷直流電 動機高效率的特點更顯示了其巨大的應用價值。</p><p>　　無刷直流電動機轉(zhuǎn)子采用

46、了永磁磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用 于恒轉(zhuǎn)矩運行；對于恒功率運行，無刷直流電動機雖然不能直接改變磁通實現(xiàn)弱磁控制， 但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁 大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，因而在 要求有良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，如數(shù)控機床、機器人等應用中， 無刷直流電機比交流伺服電機和直流伺服電機顯示了更多的優(yōu)越性。目前無

47、刷直流電機的 應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動汽車、航空 航天等領域已得到大量應用。</p><p>　　目前，無刷直流電動機的研究主要集中在以下方面：</p><p>　?。?）無機械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個驅(qū)動系統(tǒng)中最為脆弱的 部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時還需 要占據(jù)一定的空間位置。在很

48、多應用場合，例如空調(diào)器和計算機外設都要求無刷直流電動</p><p>　　機以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運行。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)矩脈動控制。存在轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電動機的固有缺點，特別是隨著轉(zhuǎn)速 升高，換相導致轉(zhuǎn)矩脈動加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動式提高無刷直流電 動機性能的重要方面。</p><p>　?。?）智能控制。隨著信息技術和控制理論的發(fā)展

49、，在運動控制領域中，一個新的發(fā) 展方向就是先進控制理論，尤其是智能控制理論的應用。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制 和神經(jīng)網(wǎng)絡控制是三個最主要的理論和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟 經(jīng)驗和規(guī)則有機地融入到傳動控制策略當中，現(xiàn)已成功地應用到許多方面。隨著無刷直流 電動機應用范圍的擴大，智能控制技術將受到更廣泛的重視。</p><p>　　1.3 轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法綜述 位置檢測器是無刷直流電動機的重要組

50、成部分，包括有位置傳感器檢測和無位置傳感</p><p>　　器檢測兩種方式。最常見的位置傳感器是霍爾開關式位置傳感器，目前比較成熟的無轉(zhuǎn)子 位置傳感器控制方法主要有反電動勢過零檢測法和定子三次諧波檢測法等。</p><p>　　在無刷直流電動機中，常用的位置傳感器主要有以下幾種類型：</p><p>　?。?）電磁式位置傳感器。利用電磁效應來測量轉(zhuǎn)子位置，具有信號

51、大、工作可靠、 壽命長、適應性強、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，多用于航空航天領域，但這種傳感器體積較 大，信噪比較低，同時其輸出波形為交流，一般需經(jīng)整流、濾波方可使用，因而限制了它 在普通條件下的應用。</p><p>　?。?）磁敏式位置傳感器。由霍爾元件或霍爾集成電路構成，結(jié)構簡單、性能可靠、 成本低，是目前在無刷直流電動機上應用最多的一種位置傳感器。</p><p>　?。?）光電式位置傳

52、感器。由裝在電機轉(zhuǎn)子上的遮光盤和固定不動的光電開關組成， 遮光盤上開有 180°電角度的扇形開口，扇形開口的數(shù)目等于無刷直流電動機轉(zhuǎn)子磁極的 極對數(shù)。光電開關通常采用將發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起的光斷續(xù)器。</p><p>　　常用的無位置傳感器位置檢測方法有：</p><p>　?。?）反電動勢檢測法。通過測量不導通相的端電壓，與電機的繞組中點電壓進行比 較，以得到反電動

53、勢的過零點。反電動勢法的缺陷是當電機在靜止或低速運行時，反電動 勢為 0 或太小，因而無法利用。</p><p>　　（2）續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法。通過對逆變器開關管加以特殊時序的斬波控制信 號，使電機繞組的續(xù)流電流沿著特定的回路流通。當斷開相繞組的反電動勢過零時，與斷</p><p>　　開相開關管并聯(lián)的續(xù)流二極管中將流過續(xù)流電流，通過對該續(xù)流二極管導通與否的檢測就 可以確定出繞組反電

54、動勢的過零點，從而得到電機的轉(zhuǎn)子信號。這種檢測方法實際檢測的 也是繞組的反電動勢，但是檢測的靈敏度相對較高，在電機額定轉(zhuǎn)速的 2%以上有效，起動 容易，調(diào)速比大。缺點是實現(xiàn)電路稍復雜一些。</p><p>　?。?）三次諧波檢測法。對于無刷直流電動機，繞組反電動勢為梯形波。經(jīng)過 Fourier 級數(shù)分解，可以發(fā)現(xiàn)除了基波分量以外，還含有較大的三次諧波分量。三次諧波分量的一 個周期對應基波分量的 120°

55、電角度，其相鄰兩次過零點間隔 60°電角度，正好與電機相 鄰兩次換向的時間間隔相同，只是相位相差 90°電角度，因此，將反電動勢的三次諧波分 量移相 90°電角度以后，得到的信號就可以作為轉(zhuǎn)子位置信號，其每一個過零點均對應著 一個電流的換相點[1]。</p><p>　?。?）瞬時電壓方程法。利用電機各相瞬時電壓和電流方程，實時計算電機由靜止到 正常運轉(zhuǎn)任意時刻轉(zhuǎn)子的位置，控制電機的

56、運行。該方法不需專門的起動線路，電路簡單， 起動轉(zhuǎn)矩大。但對電機本體的數(shù)學模型依賴性大，當電機參數(shù)因溫度變化發(fā)生漂移時，容 易造成建模誤差，是控制精確性受到影響；另外，由于在線計算復雜，計算量很大，考慮 到轉(zhuǎn)子位置檢測的實時性，必須采用具有快速運算能力的 DSP 和高速 A/D 轉(zhuǎn)換器。這種 方法還適用于正弦波無刷直流電動機。</p><p>　　1.4 本文研究內(nèi)容 本文主要研究無刷直流電動機基本工作原理及其換

57、相過程，深入探討反電勢過零檢測</p><p>　　法，主要研究控制算法，實現(xiàn)基于反電勢過零檢測法的無位置傳感器無刷直流電動機控制 系統(tǒng)。所要做的工作具體如下：</p><p>　?。?）在了解無位置傳感器無刷直流電機換相檢測研究現(xiàn)狀的基礎上，詳細分析無刷 直流電機的系統(tǒng)結(jié)構和工作原理。</p><p>　?。?）充分理解反電動勢法的優(yōu)勢及運用原理，深入探討反電勢過

58、零檢測法的幾種常 用實現(xiàn)方法，對各種實現(xiàn)方法進行理論分析。</p><p>　　（3）找出造成無位置傳感器無刷直流電動機控制中造成轉(zhuǎn)子位置檢測誤差的原因并 進行分析。在分析無刷直流電動機的換相過程、給出換相過程各狀態(tài)電路結(jié)構和電壓平衡 方程的基礎上，對由于轉(zhuǎn)子位置誤差引起的電動機超前和滯后換相進行理論分析，并提出 解決方案。</p><p>　?。?）對換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動進行深入分析，并提

59、出抑制轉(zhuǎn)矩脈動的解決方案。</p><p>　?。?）在 Simulink 環(huán)境下建立基于反電動勢過零點檢測法的換相檢測模塊，并進行分</p><p><b>　　析。</b></p><p>　　2 反電動勢法轉(zhuǎn)子位置檢測</p><p>　　2.1 無刷直流電動機的組成</p><p>　　無

60、刷直流電動機的組成原理框圖如圖 2-1 所示。無刷直流電動機是一種自控變頻的永 磁同步電動機,就其基本組成結(jié)構而言,可以認為是由電力電子開關逆變器、永磁同步電動 機和磁極位置檢測電路三者組成的“電動機系統(tǒng)”。</p><p>　　電機本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電機本體同軸，控制電路對位置 信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開 關管，使電機的各相繞組按一定的

61、順序工作。</p><p>　　圖 2-1 無刷直流電動機系統(tǒng)的組成</p><p>　　2.2 無刷直流電動機的基本工作原理</p><p>　　以圖 2-2 所示的無刷直流電機系統(tǒng)來說明無刷直流電動機的工作原理。電機本體的電 樞繞組為三相星形連接，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng) 驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關管，使電機的各相繞組

62、按一定的順序工作。</p><p>　　圖 2-2 三相無刷直流電動機系統(tǒng)</p><p>　　當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖 2-3（a）所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯 變換后驅(qū)動逆變器，使 VT1、VT6 導通，即 A、B 兩相繞組通電，電流從電源的正極流出， 經(jīng) VT1 流入 A 相繞組，再從 B 相繞組流出，經(jīng) VT6 回到電源的負極。電樞繞組在空間產(chǎn) 生的磁動勢 Fa 如圖

63、 2-3（a）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　當轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過 60°電角度，到達圖 2-3（b）所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的 信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使 VT1、VT2 導通，A、C 兩相繞組通電，電流從 電源的正極流出，經(jīng) VT1 流入 A 相繞組，再從 C 相繞組流出，經(jīng) VT2 回到電源的負極。 電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢 Fa 如圖

64、2-3（b）所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的 轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過 60°電角度，逆變器開關就發(fā)生一次切換，功率開關管的導通邏輯 為 VT1、VT6 ??VT1、VT2 ??VT3、VT2 ??VT3、VT4 ??VT5、VT4 ??VT5、VT6 ??VT1、VT6。</p><p>　　在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用

65、，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　在圖 2-3（a）到圖 2-3（b）的 60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定 子合成磁場在空間保持圖 2-3（a）中 Fa 的位置靜止。只有當轉(zhuǎn)子磁場連續(xù)旋轉(zhuǎn) 60°電角 度，到達圖 2-3（b）所示的 Fr 位置時，定子合成磁場才從圖 2-3（a）的 Fa 位置跳躍到圖 2-3（b）中的 Fa 位置?？梢姡ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g不是連續(xù)

66、旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn) 磁場，每個步進角是 60°電角度。</p><p>　　圖 2-3 無刷直流電動機工作原理示意圖</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過 60°電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就 發(fā)生一次躍變。可見，電機有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間對 應于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120°電角度。我們把無刷直流電動機的這種

67、工作方式稱為兩相導通星形三 相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機最常用的一種方式。</p><p>　　由于定子合成磁勢每隔 1/6 周期（60°電角度）跳躍前進一步，在此過程中，轉(zhuǎn)子磁 極上的永磁磁勢卻是隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，這兩個磁勢之間的平均速度相等，保持“同步”， 但是瞬時速度確是有差別的，二者之間的相對位置是時刻有變化的，所以，它們相互作用 下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩外，還有脈動分量[2]。</p

68、><p>　　2.3 無刷直流電動機的數(shù)學模型</p><p>　　兩相導通星形的三相六狀態(tài)工作方式控制簡單、性能最好，所以這種工作方式最為常 用。下面以兩相導通星形三相六狀態(tài)方式為例，分析無刷直流電動機的數(shù)學模型。</p><p>　　由于無刷直流電動機的氣隙磁場、反電動勢以及電流是非正弦的，采用直、交軸坐標 變換已不是有效的分析方法。因此我們直接利用電動機本身的相變

69、量來建立數(shù)學模型。</p><p>　　為了簡明起見，現(xiàn)做如下假設：</p><p>　?。?）電動機的氣隙磁感應強度在空間呈梯形（近似為方波）分部。</p><p>　　（2）定子齒槽的影響忽略不計。</p><p>　　（3）電樞反應對氣隙磁通的影響忽略不計。</p><p>　?。?）忽略電機中的磁滯和渦流損耗。

70、</p><p>　　（5）三相繞組完全對稱。 由于轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，因此定子繞組的自感和互感為</p><p>　　常數(shù)，則相繞組的電壓平衡方程可表示為：</p><p><b>　　?u a ?</b></p><p><b>　　??r0</b></p>&l

71、t;p>　　0 ???ia ???L</p><p><b>　　MM ?</b></p><p><b>　　?ia ?</b></p><p><b>　　??e a ?</b></p><p><b>　　???</b></p&g

72、t;<p><b>　　?????</b></p><p>　　???d ????</p><p>　　?u b ??????0r</p><p>　　0 ???ib ??????M</p><p><b>　　LM ??dt</b></p><p&

73、gt;　　?ib ??????eb ?</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　??u c ??</b></p><p><b>　　???00</b></p><p>　　r ?????ic ??</p><p>

74、<b>　　???MM</b></p><p><b>　　L ??</b></p><p><b>　　??ic ??</b></p><p><b>　　???ec ??</b></p><p>　　式中ua 、 ub 、 uc ——定子相繞組電壓

75、（V）。</p><p>　　ia 、 ib 、 ic ——定子相繞組電流（A）。</p><p>　　ea 、 eb 、 ec ——定子相繞組電動勢（V）。 r ——每相繞組的電阻（Ω）。</p><p>　　L ——每相繞組的自感（H）。</p><p>　　M ——每兩相繞組間的互感（H）。</p><p>　　

76、由于三相繞組為星形連接， ia ??ib ??ic ??0 ，因此 Mia ??Mib ??Mic ??0 ，所以式（2-1）可</p><p><b>　　以變?yōu)椋?lt;/b></p><p><b>　　?ua ?</b></p><p><b>　　?r0</b></p><

77、;p><b>　　0??ia ?</b></p><p><b>　　?L ??M0</b></p><p><b>　　0??ia ?</b></p><p><b>　　?ea ?</b></p><p>　　?u ?????0r<

78、/p><p><b>　　0??i</b></p><p><b>　　?????0</b></p><p><b>　　L ??M</b></p><p><b>　　0??d</b></p><p>　　?i ?????e ?&

79、lt;/p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　　???b ??</b></p><p><b>　　???b ??</b></p><p>　　??dt ??b ?</p><p><b>　　??b ?<

80、/b></p><p><b>　　??uc ??</b></p><p><b>　　??00</b></p><p>　　r ????ic ????0</p><p>　　0L ??M ??</p><p><b>　　??ic ??</b&

81、gt;</p><p><b>　　??ec ??</b></p><p>　　由此可得無刷直流電動機的等效電路如圖 2-4 所示。圖中，Us 為直流側(cè)電壓，VT1～</p><p>　　VT6 為功率開關器件，VD1～VD6 為續(xù)流二極管，LM</p><p>　　??L ??M ,圖中標出的相電流和相反電</p

82、><p>　　動勢的方向為其正方向。</p><p>　　圖 2-4 無刷直流電動機的等效電路</p><p>　　式（2-2）所代表的是一個等價地實現(xiàn)相間磁路關系解耦的相電壓模型。但由于電機的 中性點是懸空的，各相之間仍不可避免的存在電路上的耦合關系。由于中性點電位不可直 接測取，因而相電壓實際上是未知量，已知量為直流側(cè)電壓（線電壓），所以該模型還不 能直接求解相電流

83、的變化規(guī)律。</p><p>　　2.4 無刷直流電動機的反電動勢</p><p>　　無刷直流電動機氣隙主磁通 B??的分布波形如圖 2-5（a）所示，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為恒值 時，定子每相繞組反電動勢波形與磁通繞組分布波形應該一致，為了簡化分析，可將它近 似為梯形波。為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，反電動勢波形的平頂寬度應大于等于 120°電角度。通 常把相反電動勢看成平頂寬為 120

84、6;電角度的梯形波，如圖 2-5（b）所示。三相繞組的反 電動勢依次相差 120°電角度。</p><p>　　設電樞繞組導體的有效長度為 La ，導體的線速度為 v ，則單根導體在氣隙磁場中感應</p><p><b>　　的電動勢為：</b></p><p>　　e ??B?La v （V）（2-3）</p>&l

85、t;p>　　v ???D n ??2 p?n （m/s）（2-4）</p><p>　　式中D ——電樞直徑。</p><p>　　p ——電機的極對數(shù)。</p><p><b>　　?——極距。</b></p><p><b>　　6060</b></p><p&g

86、t;　　n ——電機的轉(zhuǎn)速，單位為 r / min 。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖 2-5 無刷直流電動機氣隙磁密及反電動勢波形</p><p>　　如果電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為W??，則每相繞組的感應電動勢幅值為：&

87、lt;/p><p><b>　　pW?'</b></p><p>　　Em ??2W?e ???n ??Ce??n （V）（2-5）</p><p><b>　　15?i</b></p><p>　　式中???——每極磁通量，單位為Wb ，?????B??i?La 。</p>

88、;<p><b>　　''pW?</b></p><p>　　Ce ——相電動勢常數(shù)， Ce ?。</p><p><b>　　15?i</b></p><p>　　?i ——計算極弧系數(shù)。</p><p>　　2.5 利用反電動勢法檢測轉(zhuǎn)子位置</p&g

89、t;<p>　　1.用端電壓法檢測反電動勢過零點 已經(jīng)給出兩相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機的主電路原理圖（圖 2-2），根據(jù)電</p><p>　　路圖，可以列出電機三相繞組輸出端對直流電源地的電壓方程組為：</p><p><b>　　?</b></p><p>　　?ua0 ??ia r ??LM</p>

90、<p><b>　　?</b></p><p><b>　　?</b></p><p>　　?ub0 ??ib r ??LM</p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　?</b></p><p>

91、;　　?uc0 ??ic r ??LM</p><p><b>　　?</b></p><p>　　dia dt dib dt dic dt</p><p><b>　　??ea ??uN</b></p><p><b>　　??eb ??uN</b></p>

92、<p><b>　　??ec ??uN</b></p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　式中ua0 、 ub0 、 uc0 ——三相繞組輸出端對直流電源地的電壓。</p><p>　　uN ——三相繞組中性點 N 對電源負極的電壓。 由于電機的一個通電周期有六種工作狀態(tài)，且每種狀態(tài)呈

93、現(xiàn)一定的對稱性或重復性，</p><p>　　因此我們只需對一個狀態(tài)進行分析。如圖 2-6 所示，設 VT1 和 VT6 導通，即 A、B 相通電，</p><p>　　C 相關斷。則 A、B 兩相電流大小相等，方向相反，而 C 相電流為 0。</p><p>　　圖 2-6 A、B 相導通時的電流回路圖</p><p>　　由于 C 相電流

94、為 0，則方程組（2-6）中的第三式可化簡為：</p><p>　　uc0 ??ec ??uN</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　由于 ia ???ib ，且在 ec 過零點處 ea ??eb ??ec ??0 。將方程組（2-6）中的第一、二式及式</p><p>　?。?-7）

95、相加，可得中性點電壓：</p><p><b>　　u??1 (u</b></p><p><b>　　N3a0</b></p><p><b>　　??ub0</b></p><p><b>　　??uc0 )</b></p><

96、;p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　所以，C 相反電動勢過零檢測方程為：</p><p><b>　　ec ??uc0</b></p><p><b>　　uN</b></p><p><b>　　??uc0</b></

97、p><p><b>　　1 (u</b></p><p><b>　　3a0</b></p><p><b>　　??ub0</b></p><p><b>　　??uc0 )</b></p><p><b>　?。?-9）

98、</b></p><p>　　同理可得 A、B 兩相反電動勢過零檢測方程，則反電動勢過零檢測方程組為：</p><p><b>　　?1</b></p><p>　　?ea ??ua0 ??3 (ua0 ??ub0 ??uc0 )</p><p><b>　　?</b></p&

99、gt;<p><b>　　?</b></p><p>　　?eb ??ub0 ?</p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　1</b></p><p>

100、;　　(ua0 ??ub0 ??uc0 ) 3</p><p><b>　　1</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　?ec ??uc0 ?(ua0 ??ub0 ??uc0 )</p><p><b>　　?</b></p>

101、;<p>　　由于無刷直流電動機采用 PWM 調(diào)制方式，所以實際檢測電路中，需要將端電壓 ua0 、</p><p>　　ub0 、 uc0 分壓后，經(jīng)濾波得到檢測信號U a0 、Ub0 、Uc0 ，如圖 2-7 所示。圖示電路是通過 檢測三相繞組輸出端對電源負極的電壓來檢測反電動勢過零點的，我們稱之為基于端電壓 的反電動勢檢測，或“端電壓法”。</p><p>　　圖 2-

102、7 基于端電壓的反電動勢檢測電路</p><p>　　“端電壓法”的反電動勢過零檢測方程還有其他形式：由于在 C 相繞組的反電動勢過 零時， ia ???ib ， ea ???eb ，將方程組（2-6）中的第一、二式相加得到 uN 的另一種表達式：</p><p><b>　　u??1 (u</b></p><p><b>　　

103、N2</b></p><p>　　a0 ??ub0 )</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　據(jù)此可以得到三相繞組反電動勢過零點檢測方程組的第二種形式為：</p><p><b>　　?1</b></p><p>　　?ea

104、??ua0 ??2 (ub0 ??uc0 )</p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　?</b></p><p>　　?eb ??ub0 ?</p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　?&

105、lt;/b></p><p><b>　　1</b></p><p>　　(ua0 ??uco ) 2</p><p><b>　　1</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　?ec ??uc0 ?(ua0

106、 ??ub0 )</p><p><b>　　?</b></p><p>　　可以證明，檢測方程組（2-10）和（2-12）是完全等價的，但方程組（2-10）中的中</p><p>　　性點電壓計算具有普遍性，因此應用更廣。</p><p>　　另外，在 A、B 相導通，C 相關斷時，根據(jù)圖 2-4 可以列出方程組：&l

107、t;/p><p><b>　　?</b></p><p>　　?uN ??U s ??ua ??U s ??(ia r ??LM</p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　dia dt</b></p><p><b>

108、　　??ea )</b></p><p><b>　　（2-13）</b></p><p><b>　　?u???u</b></p><p>　　???(i r ??L</p><p>　　dib ??e )</p><p><b>　　????N

109、b</b></p><p>　　bM dtb</p><p>　　由于在 C 相繞組的反電動勢過零時， ia ???ib ， ea ???eb 故將方程組（2-13）中兩式相</p><p><b>　　加可得：</b></p><p><b>　　1</b></p&g

110、t;<p><b>　　uN ?U s</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　根據(jù)式（2-7）可知，當不導通相（C 相）的反電動勢過零時，uc0 反電動勢過零檢測方程組的又一種形式為：</p>

111、<p><b>　　? U s</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　??0 。因此可得</b></p><p><b>　　?1</b></p><p>　　?ea ??ua0 ??2 U s<

112、;/p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　?1</b></p><p>　　?eb ??ub0 ?U s</p><p><b>　　?2</b></p><p><b>　　?1</b></p

113、><p>　　?ec ??uc0 ?U s</p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　（2-15）</b></p><p>　　檢測方程組（2-15）雖然比較簡單，但監(jiān)測的正確性受 PWM 控制方式的影響較大， 在一些 PWM 控制方式下并不適用，使用時必須加以注意。<

114、;/p><p>　　2. 用相電壓法檢測反電動勢過零點</p><p>　　如果將圖 2-6 中檢測電阻的中性點 O 與電源的負極斷開，就得到如圖 2-6 所示的檢測 電路。根據(jù)電路的對稱性原理，uo ??uN ，所以圖 2-7 中檢測信號U a 、Ub 、Uc 實際上反映 了相電壓 ua 、ub 、uc 的大小。我們將圖 2-8 所示的檢測電路稱為基于相電壓的反電動勢檢 測電路，將這種檢測方

115、法稱為“相電壓法”。</p><p>　　圖 2-8 基于相電壓的反電動勢檢測電路</p><p>　　由于某相繞組斷電時，該相繞組的相電壓大小等于其反電動勢，所以采用圖 2-8 所示 的電路檢測時，反電動勢的檢測方程組為：</p><p><b>　　?ea ??ua</b></p><p><b>　　?

116、</b></p><p><b>　　?eb ??ub</b></p><p><b>　　?ec ??uc</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　也就是說，當采用圖 2-8 所示的電路檢測反電動勢時，直接檢測到物理量是相

117、電壓， 因此不需要計算電機的中性點電壓。</p><p>　　3 無位置傳感器 BLDC 換相分析</p><p>　　3.1 換相點的確定</p><p>　　檢測到反電動勢過零點后，再延遲 30°電角度即為無刷直流電動機的換相點。換相原 理如圖 3-1 所示，相應的功率開關切換順序如表 3-1 所示。</p><p>　　圖 3

118、-1 延遲 30°電角度換相原理圖</p><p>　　表 3-1 功率開關切換順序</p><p>　　反電動勢過零檢測方法簡單、靈活，但實際應用的位置檢測信號通常是經(jīng)過阻容濾波 后得到的，其零點必然會產(chǎn)生相移，使位置檢測不準確，在應用中必須加以適當?shù)南辔恍?正。</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測誤差產(chǎn)生原因</p><p&g

119、t;　　1.濾波電路移相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子位置檢測誤差 在反電勢法檢測無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置的方法中,引入RC低通濾波電路對端電壓進行</p><p>　　濾波,以消除端電壓信號中的干擾信號。低通濾波電路的引入, 將會導致濾波后的電勢波 形移相。</p><p>　　無刷直流電機采用兩兩導通三相六狀態(tài)運行，其換相時刻發(fā)生在反電動勢過零點延時 30°電角度的地方，每兩個換相時刻之間相隔60&