无刷直流电机无位置传感器转子位置辨识策略

乔刚

（国家能源集团准能集团设备维修中心内蒙古鄂尔多斯市010300）

摘要：无刷直流电机（BLDCM）是一种用电子换相代替机械换相的新型电机，通常采用永磁体转子，因具有功率密度高、结构简单、调速性能好等优点而得到了广泛应用。

关键词：无刷直流电机；转子位置辨识策略

无刷直流电动机具有结构本身相对简单、控制系统设计方便、运行稳定、维护成本低、功率密度高、调速性好等优点，已经在伺服控制、精密电子、办公自动化、医疗器械、家用电器、电动车辆、航天航空、工业工控等行业内得到了广泛的应用。传统的无刷直流电动机需要安装位置传感器，从而得到转子位置信号对三相绕组进行换相控制。然而位置传感器的安装不但增加了系统自身的尺寸，使内部结构变得复杂，同时增加了成本，特别在高温、高湿等恶劣的工作环境下，传感器信号线容易受外界信号干扰，系统可靠性降低。

一、慨况

无刷直流电机因其高效率、长寿命、低噪声及其良好的机械特性等优点，在航空、军事、汽车和办公自动化等行业得到了广泛地应用。传统无刷直流电机控制系统的正常运行，需要位置传感器来确定转子相对位置。但位置传感器增大了电机的体积和成本，维修困难，且传感器的连线较多，容易受外界信号干扰。因此，无刷直流电机无位置传感器控制成为当前研究热点之一。由于无刷直流电机的反电动势一般难于直接检测，因此通常采用间接方法得到反电动势过零点。使用端电压法得到反电动势过零点，这种方法虽然结构简单，但是需要重构电机中点，滤波电路的使用也会导致检测到的反电动势过零点信号产生相移，需要额外的硬件或者软件对其进行补偿。采用三次谐波检测反电动势的过零点，通过虚构电阻网路中点，得到三次谐波过零点与相反电动势过零点的关系。但实际上由于电阻网路的加入，三次谐波的波形失真。同时，对于实际的无刷直流电机，由于电机设计，漏磁的存在，反电动势波形平顶宽度往往小于120°。

二、无刷直流电动机电路拓扑及数学模型

三相全桥式无刷直流电动机主电路拓扑结构框。其三相绕组为Y型接法，假设三相绕组的反电动势波形为梯形波，三相绕组的电流波形为方波。为了达到最大的电磁转矩输出目的，三相绕组的电流需要与对应自身相的绕组反电动势保持相位一致。变流器采用120°两两导通的控制方式，开关器件每60°电角度更换一次，一个周期内需要6次换相信号。三相绕组的反电动势过零点都领先对应相绕组的换相信号30°电角度。假设无刷直流电动机的绕组是三相对称的，并忽略电机的齿槽效应和电枢反应，气隙磁场空间分布为梯形波。

三、直流牵引电动机工作原理及换向器作用

牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动；在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牵引电动机在设计和结构上也有许多要求，如要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，要采取特殊的措施以应付比较困难的“换向”条件以减少炭刷下的火花。

1.直流电动机工作原理。直流电动机工作原理的理论基础是安培定律：带电导体在磁场中必然会受到力的作用即电磁力作用。判断所受电磁力方向用左手定则：磁力线穿过左手掌心，左手四指方向为带电导体电流方向，左手大拇指方向即为导体所受到的电磁力方向。直流电动机的主磁极绕组通以直流电建立主磁场，转子绕组（也称为电枢绕组）通以交流电即为带电导体，转子绕组在磁场中受到电磁力作用并产生电磁转矩使转子旋转。即将输入的电能转化为机械能输出。

2.换向器作用。直流电机工作必然离不开换向器，换向器在直流发电机工作中的作用是将转子绕组输出的交流电转变成直流电输出；在直流电动机工作中的作用是将外部的直流电转变成交流电输入到转子绕组中，从而使转子绕组无论在磁场的上半区还是在下半区都能产生同一方向的电磁转矩，保证转子按同一方向旋转。这种作用被称为机械整流。

四、环火产生原因

1.片间击穿当换向器片间电压较高，而运行中产生过电压，由于片间累积击穿，会产生环火。而更多的情况是由于换向器维护不良，清扫不认真，在换向器云母沟中积存了碳粉、铜粉和油污，或由于电刷挤铜，换向片铜毛刺延长导致相邻换向片间云母沟中的导电桥，当这一导电桥随电枢旋转而进入主极区时，换向器表面电位梯度增大，通过电流逐渐加大。当电流产生电动力超过维持粉末构成的导电桥就会错位，导电桥由于熔化灼热而产生片间闪络。如果导电桥断裂点的有效电压超过电弧最低电压，就产生电弧。当断裂部分宽度增加到云母沟宽度时，维持电弧的电压也需增加，否则电弧将熄灭。当片间电压和起弧时感应电压大于维持电弧电压时，电弧将继续燃烧。电流随着换向片击穿而增大，磁场区域也增加，片间电弧换向器表面扩展过程。

2.严重的电刷火花电刷火花是导致换向器环火的另一个主要原因。当直流电机在恶劣的负荷条件下，换向器表面滑动接触受到严重破坏时，就会在电刷与换向器之间产生火花。当换向器火花大到一定程度时，火花能量将引起电刷和换向片的燃烧和气化，并在燃烧区造成一个等离子区域，而这个电弧又被旋转的换向器沿电刷磨道所拉长。当这电弧被拉长至一定长度的某一换向片M时，电弧是否能继续燃烧，就决定于换向器表面电位分布曲线和电弧特性。当换向片M的电位VKM小于电弧维持电压Ug时，电弧将熄灭，当VKM大于电弧维持电压Ug时，电弧将继续燃烧，并将继续延伸。电刷磨道上空气的电离使为电弧延伸创造了条件。当换向火花能量大到某一量级时，电弧将伸展到异极性电刷上，而造成环火。

五、实验验证

实验平台采用额定功率为700W，额定电压为60V，额定转速为600r/min的电动车用轮毂式无刷直流电机搭建，电源采用0～100V连续可调的直流稳压电源。

1.无位置传感器模拟霍尔波形。正确检测转子位置不仅可以保证无刷直流电机的正常换向，而且可以保证产生正确的速度控制量。图1和图2分别为电机启动与稳态过程中，与电机内部实际安装的转子位置霍尔传感器输出信号与采用无位置传感器检测方案输出的模拟霍尔信号的对比图。

图1启动过程中霍尔信号与模拟霍尔信号对比

图2稳态过程中霍尔信号与模拟霍尔信号对比

由图1和图2可知，无论电机启动还是稳态过程，无位置传感器检测方案输出的转子位置信号都能准确反映出电机转子的实际位置，与实际物理传感器检测结果一致，实验结果验证了本文检测方案的有效性。

图3启动过程中的相电流波形图4稳态下的相电流波形

2.无位置传感器电机相电流波形。

图3和图4为启动过程和稳态过程下的电机相电流波形，由于无刷直流电机需要根据转子位置确定电机电流的控制方式，从这两个图

可以看出，电机电流波形为方波形状，基本实现了控制目的，这也从另一个方面表明了本文提出的检测方案适用于无刷直流电机的转子位置检测。

直流电动机环火故障预防建议在应用中起到了很好效果。当电刷在刷握内不能灵活滑动使电刷与换向器时而接触，时而分开；换向器偏心、变形使电刷产生跳动；换向器片间云母凸出；电刷磨损过度；过载等等也都会使换向火花变大，严重时也可产生环火。

参考文献：

［1］袁媛．直流无刷电动机原理及技术应用．2014

［2］严毅非．无位置传感器无刷直流电机变速控制的新策略．2014

［3］张静针．反电动势过零检测无刷直流电机转子位置新方法.2014