摘 要：分析了无刷直流电机数学模型，对无刷直流电机无传感器控制的三段式起动与反电动势过零点换相技术做出研究。利用电机三相端电压与反电动势间关系来确定电机反电动势过零点与换相点，提出了基于三相反电动势的改进型反电动势过零点换相方法。设计了基于DSP_F2812的无刷直流电机控制平台。通过实验验证表明，基于三段式起动与改进型反电动势过零点换相方法的BLDCM无位置传感器控制达到了带霍尔传感器换相控制的精度与效果。
关键词：永磁无刷直流电机；无位置传感器控制；三段式起动；反电动势过零点法
无刷直流电机BLDCM（Brushless DC Motor）继承了永磁电机的小体积、高效率、低干扰等优点，且兼容了直流电机易调速的优势，同时由于电机本体不包含电刷及换向器，有效解决了直流电机换相过程中所存在的换相火花等问题，使得其被广泛应用于军用、工业与民用等各个方面。传统无刷直流电机都安装有诸如霍尔传感器等在内的位置传感器，通过位置传感器得到电机转子位置信号指导电机换相，其最大劣势在于位置传感器的安装使得电机的体积、结构与制造成本受到限制。因此，对BLDCM无位置传感器控制技术的研究具有一定的意义[1]。
本文通过反电动势过零点法来代替位置传感器获得BLDCM的换相信号，并选择“三段式起动”作为起动算法。搭建了基于DSP_F2812的实验平台，验证了以上算法的可行性，实现BLDCM的无传感器控制。
1 BLDCM数学模型
无刷直流电机数学模型主要包括电压方程、电磁转矩方程与机械运动方程[2]。
来估算电机转动一周所需时间并设计升频升压过程中各脉冲组合持续时间。
电机运行至一定转速后，当已有明显反电动势输出时，需对电机进行由外同步控制至内同步控制的切入操作。切入过程中，可能由于内外同步信号之间存在相位差使得功率管通断时刻出现误差，导致切入过程失败。本文在外同步加速过程中监测三相反电动势波形，并在测得电机反电动势过零点时通过等待一个延时后对电机进行切入控制。
2.2 反电动势过零点换相
BLDCM反电动势波形为梯型波，其反电动势与电机转子位置间存在对应关系，通过检测电机非导通相反电动势波形可得当前转子位置并估算换相时刻。
电机的反电动势难以直接测得，如需获得电机反电动势则需通过其他方法间接测量得到[5]。本文采用“端电压法”来检测获得三相反电动势。端电压为绕组端部至电源负极电压，实际为相电压加中性点对电源负极电压。传统“端电压法”需根据当前导通相测量定子绕组特定某相端电压与母线电压或利用大衰减比例RC分压滤波电路来获得模拟中性点电压值[6]。本文对传统“端电压法”做出改进，由同时测量电机三相端电压的方式来间接获得反电动势。根据电机电压方程(1)对传统“端电压法”做出如下改进：对于三相无刷直流电机两相导通120°方式，每时刻只有两相绕组通电，导通两相电流幅值相等，方向相反，同时非导通相电流为零，因此对电压式(1)3个方程相加得到：
3 BLDCM无传感器控制的实现
为实现BLDCM的无传感器控制，本文搭建了相关实验平台，实验平台分为电源供电、主控电路、驱动电路与功率逆变等部分，其结构如图3所示。
3.1 主控电路设计
主控电路基于DSP_F2812设计，其结构框图如图4所示。主控电路主要负责对电机“三段式起动”、反电动势过零点法、保护逻辑与PWM信号输出等功能的实现。
在电机起动完成后，电机三相端电压经A/D采样调理电路分压后输入DSP，DSP由电机三相端电压值确定电机的反电动势过零点并输出PWM信号指导电机换相。同时通过DSP内部的CAN模块实现DSP与上位机间通信。
3.2 驱动电路设计
本文功率逆变模块采用IR公司的FR540 MOSFET，因主控电路输出的PWM不足以直接驱动MOSFET导通与关断，故需增加一级驱动电路。驱动电路以IR2103驱动芯片为核心，其原理图如图5所示。
4 实验结果
实验电机参数如下：额定电压U=48 V；额定功率P=100 W；额定转速nN=3 000 r/min；额定电流I=0.6 A；额定转矩TN=0.32 N·m。
图6与图7分别为100%占空比与50%占空比下电机三相端电压波形。从图中可知，由改进型反电动势过零点换相法所得电机三相端电压波形为互差120°的梯形波，符合无刷直流电机磁场梯型分布特性。
为验证无传感器控制方式下电机换相精度，对工作于反电动势过零点法换相控制方式下的电机三相霍尔传感器供电，使其工作，从而输出三相霍尔位置信号。图8为反电动势过零点法换相控制时100%占空比下电机A相端电压波形与三相霍尔传感器输出霍尔位置信号对比。由图可知，无传感器控制换相所得位置信号与霍尔位置信号基本等效。实验波形说明改进的反电动势过零点法换相基本满足换相精度要求。
本文应用“三段式”起动方式与基于三相反电动势的改进型反电动势过零点换相法对无刷直流电机无传感器控制做出研究。分析阐述了反电动势过零点法检测原理与数学模型；设计了基于改进型反电动势过零点换相法的BLDCM无传感器控制算法；建立基于DSP F2812的实验平台。实验结果表明，应用三段式起动方式与改进型反电动势过零点换相法的BLDCM无传感器控制算法能够达到带霍尔传感器控制的控制精度与效果。
参考文献
[1] 沈建新，吕晓春.无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析[J].微特电机，1998，28(5)：8-11.
[2] 张相军.无刷直流电机无位置传感器控制技术的究[D].上海：上海大学，2001.
[3] LAI Y S，LIN Y K.An unified approach to back EMF detection for brushless DC motor derives without current and hall sensors[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(6)：1293-1298.
[4] 郭新华，温旭辉，赵峰，等.基于电磁转矩反馈补偿的永磁同步电机新型IP速度控制器[J].中国电机工程学报，2010，30(27)：7-13.
[5] 罗宏浩，吴峻，赵宏涛，等.永磁无刷直流电机换相控制研究[J].中国电机工程学报，2008，28(24)：108-112.
[6] LAI Y S，SHYU F，TSENG S S.New initial position detection technique for three-phase brushless DC motor without position and current sensors[J].IEEE Trans. on Industry Applications，2003，39(2)：485-491.