小电枢电感永磁无刷直流电机无位置传感器控制方法

本节提出一种针对于磁悬浮飞轮用无刷直流电机十分有效的无位置传感器控制方法，这种方法可以避免使用中点电压作为比较信号。对于特定的PWM调制方式，不导通相的反电动势能够直接从不导通相的端电压中测量出来。这种方法适用于三相六状态的电机换相方式。

通常，对于无刷直流电机来说，有三种PWM调制方式：一种较为常用，是高压侧功率管PWM调制方式，而低压侧功率管常导通；一种是低压侧功率管PWM调制方式，高压侧功率管常导通；还有一种是高、低压侧功率管同时采用PWM调制的方式。

本节所采用的PWM调制是第一种方式，采用高压侧功率管调制方式，而低

压侧只是在电机换相时导通或关断，不导通相的反电动势可以在PWM高电平和相电流续流阶段中被检测出来。在任意时刻，一相绕组连接于高压侧PWM调制的功率管，另一相连接于低压侧常开通的功率管。剩下的一相没有电流通过，其端电压用于检测出反电动势。如图1所示，A相和B相两相导通，C相不导通。

图1 BLDC运行时三相端电压电路

假设某一个换相阶段，电机处于A和B相导通，C相为不导通相状态，如图1所示。在一个PWM调制周期中，当PWM信号为低电平相电流处于续流状态时，高压侧功率管SW1关断，相电流经由功率管中集成的续流二极管VD1，在A相和B相绕组中续流。在这个续流阶段中，不导通相端电压同样可以检测出反电动势的过零点，具体如下：

对于A相绕组有 从式（6－43）～式（6－48）可知，当相电流在功率管的集成二极管中续流时，不导通相的端电压直接和反电动势成正比，而此时由于不存在功率管的开关状态，因此不会有大量的开关噪声。将此时刻的端电压和固定的参考电压进行比较，可以非常精确地得到不导通相反电动势的过零点，在过零点时刻再延时30°电角度，即是无刷直流电机的换相点。

和常用的无位置传感器控制方法相比，这种方法有较高的灵敏度。由于不用对端电压分压检测，因此所检测到的端电压不会有衰减。尤其在无刷直流电机低速阶段，拥有很高的检测精度，因此拓宽了这种方法的转速适用范围，也加快了电机开环起动的过程。另外，由于不导通相的反电动势只在PWM关断状态时被检测，因此能够避免高频的PWM开关噪声。这种同步的检测方法能够很方便地去除开关噪声带来的过零点精度问题；由于不需要低通滤波，因此不会带来所检测到的反电动势过零点会发生过大的相移；最后，便于在数字控制系统的基础上进行方法实现。

以上的方法是在PWM在关断、相电流处于续流状态下实现的。对于磁悬浮飞轮用无刷直流电机运用的整个过程中，也带来了一定的方法局限性。当转速不断提高时，反电动势逐渐增加，导致绕组中续流时间缩短。当相电流从续流状态向断流状态突变时，三相逆变桥中功率管的寄生电容和电枢绕组中的电感和电阻相互作用，不导通相的端电压会存在二阶阻尼振荡过程。在振荡过程中，将检测到的电枢绕组端电压应用于无位置传感器的换相控制中，会得到不正确的结果。

针对这种情况，可以在PWM高电平时将不导通相端电压与电源电压的一半值进行比较，每次当比较产生的信号发生电平跳变时，即使不导通相反电动势的过零时刻，此时根据当前转速延时30°电角度也是无刷直流电机的换相点。

如图1所示，相电流从电源正极出发，经过高压侧功率管SW1，经过A相和B相绕组，再由低压侧的功率管SW2流回电源。相电流在绕组电感的作用不断上升，此时，C相绕组中没有相电流流过，根据BLDC电路可以计算出此时C相端电压。通过A相绕组可以计算两相导通时电机的中点电压vn为

因此，将不导通相端电压与BLDC电源电压的一半值进行比较，可以得到反电动势的过零信息。

总上所述，当PWM占空比较大时，将不导通相的端电压与电源电压的一半进行比较，限幅多路切换器将不导通相的端电压限幅后与电源电压参考值通过程控放大比较器进行比较，输出无位置传感器控制系统的换相信号；在电机进行速度控制导致PWM占空比很小时，可在一个PWM周期中绕组相电流处于断续状态时，将不导通相的端电压与电源地电压进行比较，输出换相信号。

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