无刷直流电机的无位置传感器新运行方法
南京航空航天大学自动化学院、诺丁汉大学电气与电子工程学院的研究人员，在2018年第13期《电工技术学报》上撰文指出，无刷直流电机（brushless dc motor, bldcm）因具有功率密度高、效率高、控制简单等优点而得到了广泛应用。驱动无刷直流电机的转子位置信号一般由安装在电机定子上的霍尔传感器给出。
位置传感器的机械安装限制了bldcm在较恶劣环境下的应用，增加了系统成本，降低了可靠性。因此无位置传感器技术已成为研究热点[1,2]。此外，bldcm存在转矩脉动大的问题，大的转矩脉动会影响电机性能，产生振动噪声，损坏电机轴承，减小电机寿命。
针对bldcm无位置传感器运行，国内外学者进行了很多相关的研究。文献[3]提出了从空闲相端电压中检测出反电动势过零点来得到转子位置信号，该方法原理简单，低速和静止时反电动势难以检测，因此不适用于低速。同时，由于换相点与相反电动势过零点相差30°电角度，在检测到相反电动势过零点后需移相30°电角度换相。
文献[4]提出了从零序电压中检测出反电动势过零点来得到转子位置信号，该方法适用于非理想反电动势的bldcm，可产生不依赖于转速的时移，但滤波器和速率限制器的设计复杂。文献[5,6]提出了用线反电动势过零点来检测转子位置的方法，该方法无需移相30°电角度，同时也扩大了转速适用范围，但低通滤波器引起的相移影响了转子位置解算的精确度。文献[7]采用反电动势积分法，通过将反电动势积分和阈值比较得到转子位置信号，该方法需要根据反电动势信息解析计算阈值，同时在低速时存在积分累积误差问题。
文献[8]采用三次谐波法，将三次谐波反电动势积分得到转子磁链的三次谐波分量，转子磁链的三次谐波分量的过零点与换相点一致，从而得到换相信号。该方法需要电机相反电动势中含有明显的三次谐波。文献[9]采用续流二极管法，对于pwm调制的bdlcm，续流二极管会使得空闲相被钳位到母线或地线上，当检测到空闲相续流二极管流过电流时，则对应着空闲相反电动势过零点的位置。但该方法需要额外的电路以及隔离电源检测续流二极管的状态，增加了系统的复杂性。
文献[10,11]采用磁链观测法，通过相电压、相电流、绕组电阻、电感等参数解算定子磁链向量，从定子磁链中减去电枢反应磁链，得到转子磁链向量，从而检测到转子位置。由于观测中存在积分环节，受到累积误差和积分饱和的影响。文献[12]采用高频脉冲注入法，利用定子电感饱和特性，通过注入电压脉冲，比较电流响应，估测转子位置。该方法需要电机具有凸极性。
此外，学者们对用观测器检测转子位置进行了研究，常用的观测器有卡尔曼滤波器[13]、滑模观测器[14]等。
bldcm的转矩脉动主要分为齿槽转矩脉动、pwm斩波引起的脉动、换相转矩脉动[15]以及反电动势非梯形波引起的转矩脉动[16]。由于电机制造工艺偏差、永磁体充磁不理想等问题，大部分bldcm的反电动势不是理想的梯形波，接近于正弦波[17]。为了抑制反电动势非梯形波引起的转矩脉动，文献[18]采用最优电流控制，通过实时检测反电动势，通入与反电动势相抵消的电流；文献[19]采用直接转矩控制，将瞬时转矩作为被控对象。以上两种方法都避免了方波电流控制引起的转矩脉动，但均需转子的实时位置或者反电动势信息，算法复杂。
文献[20]为解决上述问题提出了平均转矩控制相关算法，通过控制每个开关周期内输入系统的能量相等抑制转矩脉动。该方法适用于任意反电动势波形的bldcm，无需转子实时位置和反电动势信息。
以上分别介绍了bldcm的两个研究热点，即无位置传感器运行和转矩脉动抑制。但学者们都只是分别对某一方面进行了研究。
本文针对目前大部分bldcm的反电动势非理想梯形波接近于正弦波的现状，对无位置传感器运行算法进行研究，在平均转矩控制抑制转矩脉动的基础上，分析了当反电动势接近于正弦波时平均转矩控制下的电流波形特性，提出了基于平均转矩控制的无位置传感器运行方法，从母线电流中检测到转子位置信息实现换相。
该方法可以同时实现无位置传感器运行和抑制非理想反电动势引起的转矩脉动。另外，该算法在平均转矩控制的基础上无需增加硬件，仅采用一个电压传感器和电流传感器，节约成本，算法简单，通过仿真和实验验证了算法的可行性。
图11 bldcm实验平台
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针对bldcm无位置传感器运行，国内外学者进行了很多相关的研究。文献[3]提出了从空闲相端电压中检测出反电动势过零点来得到转子位置信号，该方法原理简单，低速和静止时反电动势难以检测，因此不适用于低速。同时，由于换相点与相反电动势过零点相差30°电角度，在检测到相反电动势过零点后需移相30°电角度换相。
文献[4]提出了从零序电压中检测出反电动势过零点来得到转子位置信号，该方法适用于非理想反电动势的bldcm，可产生不依赖于转速的时移，但滤波器和速率限制器的设计复杂。文献[5,6]提出了用线反电动势过零点来检测转子位置的方法，该方法无需移相30°电角度，同时也扩大了转速适用范围，但低通滤波器引起的相移影响了转子位置解算的精确度。文献[7]采用反电动势积分法，通过将反电动势积分和阈值比较得到转子位置信号，该方法需要根据反电动势信息解析计算阈值，同时在低速时存在积分累积误差问题。
文献[8]采用三次谐波法，将三次谐波反电动势积分得到转子磁链的三次谐波分量，转子磁链的三次谐波分量的过零点与换相点一致，从而得到换相信号。该方法需要电机相反电动势中含有明显的三次谐波。文献[9]采用续流二极管法，对于pwm调制的bdlcm，续流二极管会使得空闲相被钳位到母线或地线上，当检测到空闲相续流二极管流过电流时，则对应着空闲相反电动势过零点的位置。但该方法需要额外的电路以及隔离电源检测续流二极管的状态，增加了系统的复杂性。
文献[10,11]采用磁链观测法，通过相电压、相电流、绕组电阻、电感等参数解算定子磁链向量，从定子磁链中减去电枢反应磁链，得到转子磁链向量，从而检测到转子位置。由于观测中存在积分环节，受到累积误差和积分饱和的影响。文献[12]采用高频脉冲注入法，利用定子电感饱和特性，通过注入电压脉冲，比较电流响应，估测转子位置。该方法需要电机具有凸极性。
此外，学者们对用观测器检测转子位置进行了研究，常用的观测器有卡尔曼滤波器[13]、滑模观测器[14]等。
bldcm的转矩脉动主要分为齿槽转矩脉动、pwm斩波引起的脉动、换相转矩脉动[15]以及反电动势非梯形波引起的转矩脉动[16]。由于电机制造工艺偏差、永磁体充磁不理想等问题，大部分bldcm的反电动势不是理想的梯形波，接近于正弦波[17]。为了抑制反电动势非梯形波引起的转矩脉动，文献[18]采用最优电流控制，通过实时检测反电动势，通入与反电动势相抵消的电流；文献[19]采用直接转矩控制，将瞬时转矩作为被控对象。以上两种方法都避免了方波电流控制引起的转矩脉动，但均需转子的实时位置或者反电动势信息，算法复杂。
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本文针对目前大部分bldcm的反电动势非理想梯形波接近于正弦波的现状，对无位置传感器运行算法进行研究，在平均转矩控制抑制转矩脉动的基础上，分析了当反电动势接近于正弦波时平均转矩控制下的电流波形特性，提出了基于平均转矩控制的无位置传感器运行方法，从母线电流中检测到转子位置信息实现换相。
该方法可以同时实现无位置传感器运行和抑制非理想反电动势引起的转矩脉动。另外，该算法在平均转矩控制的基础上无需增加硬件，仅采用一个电压传感器和电流传感器，节约成本，算法简单，通过仿真和实验验证了算法的可行性。
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