摘要：无刷直流电机是一种先进的机电一体化装置，无刷直流电动机及控制技术由于其本身特点．使具成为驱动控制领域的研究焦点。该文根据无刷直流电机无位置传感器控制特点，分析了无刷直流电机工作原理，结合国内外基于无刷直流电机转子位置检查控制的相关文献，综述了无刷直流电机转子位置检测控制方法发展概况，并针对每种控制方法闹述了其优缺点。
    关键词：无刷直流电机；位置检测；控制策略0  引  言传统的永磁无刷直流电动机均需一个附加的位置传感器，用以向逆变桥提供必要的换向信号。相对于无刷直流电机传统的位置传感器，软件转子位置辨识技术有着诸多优点，硬件电路减少，增强了电路可靠性，降低了环境对传感器精度的影响，减少连线，减少了电路的干扰。因此无刷直流电机无化置传感器慢慢将成为以后尢刷直流电机系统的主流。
    目前无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键是构架转子位嚣信号检测线路，从软、硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，以触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。近年来，国内外均出现了很多的位置信号检测方法，其中较为成熟的主要有反电动势法、定子三次谐波法、续流二极管法等。文中总结了无刷直流电机无位置传感器转子位置的估计方法，详细论述了各种有效的检测手段，并针刘无刷直流电机无位置传感器控制方法进行分类总结，这对研究新方法以及实践应用都具有指导意义。
    1  无刷直流电机工作原理
无刷直流电机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置****磁钢。
    无刷直流电机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换向代替有刷直流电机得电刷和换向器，各项逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩由于无刷直流电动机的气隙磁场小是正弦波分布的，而是矩形分布的，这就意味着兀刷直流电动机的反电动势为梯形波，梯形波反电动势意味着定子和转子问的互感是非正弦的，因此将无刷直流电动机-州方程变换为dp方程是比较困难的。可以把无刷直流电动机等效成电路图如图1所示：
    2反电势法
反电动势法是目前应用最为普遍的无位置传感器检测方法，其基本原理是通过检测各相绕组反电势的过零时间来判断转子磁极的换相位置，从而控制功率器件的开通与关断。如果忽略无刷直流电机的电枢反应，则定子绕组每相感应电势可以近似认为就是该相绕组的反电势，由于三相无刷直流电机采用。相全控曲两通电方式工作，任意时刻总有一机断电．检测断电一相绕组的反电势过零时刻，再经过延迟处理，即可得到功率器件的出发时刻。
    此种方法虽然比较简单，但有两个主要缺点：
    ①反电势幅值与转速有关，所以在低速和电机启动时，反电势幅值很低或者为零，很难通过检测反电势幅值额得到正确的换相信号，所以仅在稳定运行时准确度较高。②由于此方法在原理上做了近似处理，忽略r无刷直流电机的电枢反应，而实际反电势的过零点与合成的气隙磁场产生的感应电势的过零点并不重合，所以得到的换相信号存在一定误差；另外由于检测到的反电势信号存在较多毛刺与干扰，需要用滤波电路进行滤波，而滤波电路会对电路造成一定的相位滞后，使得延迟时间不冉是l／12，的时间，整个电路需要加上误差补偿。
    (1)改进型反电势检测针对上述直接反电势检测法的缺陷，在很多文献巾都提出了一种改进方法。他们都是将直流电压Ed分压为U／2，而不是三项端电压合成电压(巾性点电压)作为参考电压，所以不需要进行滤波，也没有相位滞后。同时有文献[1]提出的电路并不是对每个换相信号进行采样比较，而是对。。路信号进行采样，三个信号进行60。强制换相交替进行，简化了控制方法，也增加了可靠性，能够在一定程度上避免冈为换相信号不准确而造成的电机失步。
    (2)判定反电势法国内外也有研究提出了另一种基于反电势法判定换相时刻的方法。该方法的主要理论依据为：
    在某相电势过零点时，中性点电压为u／2，且导通两相的自感相等。基于永磁无刷直流电机定子绕组电感是转子位置的函数这一特点，通过检测导通两相自感是否相等来判断断开一相电势是否过零点，检测电机中性点电压的波动情况可以推断出定子绕组电感的关系，从而判断出转于的位置。检测的方法具体为：采用上下桥臂均进行PwM调制的方法(H-PwM-PwM)，定义一个与中性点电压和时间有关的两数，通过在一个PwM周期内检测该函数值是否为零来判断断开一相反电势是否过零点。冉延迟30。即得到换相信号。
    与传统的反电势法相比，这几方法并不直接将反电势与巾性点电压进行比较，从而小需要进行滤波，也不会带来相位滞后，是一种改进的且比较实用的反电势力‘法。
    (3)反电势积分法与反电势过零检测相比，也有很多研究提出了另_种检测方法，反电势积分法。这种方法的基本思想是：在传统的反电势法中，反电势过零点滞后30。为电机的换相点，而无刷直流电机每隔60。
    换相一次，此法在反电势过零点再经过90。后开始换相，而积分电路恰恰能够满足电流超前电压90。的关系，所以采用积分电路来实现转子磁极位置的检测，巾积分器的输出与参考电压进行比较，从而得到换向信号，原理如图5所示。
    与传统的反电势法相比，反电势积分法因为换向延迟角度与积分电路延迟角度恰好相等，不像反电势法延迟角度过大(30。)而容易造成电机失步。所以这种方法的控制性能更好，电机的运行特性也更稳定。在低转速或者启动时可以采用倍频倍压的方法使得反电势易于检测。
    反电势积分法中也有不同的方法，有的文献提出了另一种不同原理的反电势积分法：反电势逻辑电平积分法。这种方法的原理是：利用过零比较器将每相反电势Ea，Eb，Ec转化成逻辑电平VA，Vb，Vc，根据相位关系，确定转子位置。其工作过程如图6所示：
    这种方法将幅值这一模拟量转化为逻辑电平，所以检测时只需检测电平极性而不用检测大小，从而避免了反电势法中启动和低速时反电势幅值不好检测的问题，改善了电机的低速性能；滤波器只需要滤除掉高频噪声，引入的相位移很小，避免了反电势法中检测电路带来的相位滞后。
    3新型无刷直流电机位置检测技术
(1)定了电压一次谐波法定子电势三次谐波检测方法也是一种新颖的检测转子位置的方法。这种方法的基本原理：把三相端电压写成如下形式：
    再把每相反电势通过傅里叶分解，最后把三相相电压相加，ia，ib，ic结果为三次谐波与高次谐波(9次，15次……)之和。其中三次谐波占整个基波幅值的66％，通过滤波器滤除高次谐波即可得到三次谐波信号，如图7所示。
    把提取的三次谐波信号进行积分可得到转子磁通三次谐波信号出，其中各个变量的波形关系如图8所示。
    由图可以看到，转子磁通三次谐波过零点就是定子绕组换相点，所以通过检测该信号的过零点就可以判断换相时刻。与反电势法相比，定子三次谐波法反电势三次谐波频率是基波三倍，因此在低速是更容易检测，扩大了电机的运行范瞄，特别是改善了电机低速时的运行特性；三次谐波信号高次谐波的含量少，幅值小，容易滤除，所以滤波器简单，容易实现。所存在的问题是：这种方法必须要有中心点电压来获得三次谐波信号，在巾性点电压不便引出得情况下不方便使用此方法。
    (2)电流变化率法有的文献[16—18]提出基于电流变化率的检测方法。该方法通过取2个电流传感器检测电机绕组两相的实际电流的绝列值，得到实际母线电流的幅值，再和母线参考电流进行比较。该方法源于电机导通阶段内电流幅值并不是突变，而是逐渐上升这‘原理，检测电流变化的斜率，根据斜率变化中包含的信息计算功率管的6个换向时刻。主要原理为：
    根据电路有关系：
    即通过检测电流变化率的斜率来检测电势变化位置从而获得位置信号，在每一个相反电势变化率为零的时候即为换向位置。
    电流法的实现主要依赖于传感器的精度，一般情况下，传感器能够较好地获得电流大小(即平均值)的信号，而对电流相位和波形的细小变化则很难能够检测到，而且开关频率以及控制器运算速度也对电流法制约较大，因此电流法的应用较少，在工程上也不太实用。
    (3)续流二极管法续流_二极管法的基本原理是通过检测监视三相逆变器里的电流通路来获得转子位置信号。通常研究的无刷直流电机采用星形连接三相两两导通方式，三相绕组中总有一相处于断开状态，于是判断六个续流二极管的导通就可获得六个功率晶闸管的开关顺序，其本质还是反电势法．在每个功率器件导通的120。内前60。实行PwM斩波控制。因为二级符导通时管压降很小，所以扩大了电机调速范围，基于这种方法的控制系统最多能够实现电机转速小于100 r／min。
    这种方法存在如下几个比较突出的缺点：①它要求逆变器必须T作存上下功率器件轮流处于PwM斩波方式，控制难度加大；②它必须从软件、硬件两方面去除二极管续流导的无效信号和因毛刺十扰而产生的无导通信号。③未检测二极管导通情况必须提供六路独立电源，增加了电路复杂程度然而并没有改善1．作性能。正冈为如此，在同内外很少有无刷直流电机无位置传感器使用这种方法，相关的文献也比较少。
    (4)磁链函数法反电势法及其改进方法虽然一定程度L能够实现对电机绕组换相的控制，但是由于其本质上还是对反电势及其变换量的检测，而反电势与转速有关，在低速时这此方法都不能够很好地满足要求。针对这一问题，有很多的研究都提到了一种新的方法：磁链函数法。这种方法的主要思想是：构造了一个与磁链有关的函数来描述转子位置，利用测量定子电压和电流而估算出磁链，再根据磁链与转子位置的关系估计出转子的位置。
    写出相电压方程，将相电压写作桐电流、电阻、自感、互感、转子位置以及磁链的函数。磁链两数为转子永磁体上产生的磁链，是转子位置的函数。
    忽略电流饱和以及黼感，忽略铁耗，将磁链写成与电流、电感与磁链函数有关的量。利用三相绕组自感互感相等以及三相电流之和为零推导出线电压表达式。该表达式是电阻、电流、自感、互感以及线磁链两数的函数。线磁链函数是两项磁链函数之差。
    将线磁链两数的微分定义为线函数，从线电压的表达式里推出线函数的表达式。该函数里面还有转速量m。
    为消去转速ω，进一步变换，将两项线函数之比定义为估计函数。估计函数与转速无关，它仪仪是转子位置θ的函数。利用这个函数值去估计转子位置，从而实现定子换相。
    通过这个与速度无关的位置函数的应用，速度从近零点(额定速的l.5％)到高速的换向瞬间都能够估计出来。因为位置函数的形式在整个速度范幽内都是一样的，所以在瞬态和稳态时都能够提供精确的换向脉冲。与反电势法相比，它在电机低速的情况下运行性能更好，同时不需要检测定子电势，减小了电路的复杂性，降低了成本。
    该方法虽然不需要硬件电路的检测，但是需要控制器对各个参数进行实时运算来控制换相，这对控制器的处理能力有较高的要求，有可能凶为运算时间过长而影响换相，同时电增加了软件的难度。
    另外由于电机内部结构的非线性以及在电机运行时问长时由于温度引起的参数变化都会使得估计出现误差。
    (5)电感法在无刷直流电机中绕组电感会根据转子位置的不同而变化，这是网为转子位置的变化使得定子与转子磁场耦合程度改变，这样的改变也会使得电机中性点的电压改变。同时在反电势法的改进方法中也提到，根据计算在反电势过零点的时候．中性点电压为1／2u，一相断开，导通的两相绕组电感相等。根据这一原理，通过检测各相定子绕组的电感值，经过比较运算之后就可以得到转子位置信号。
    还有一种电感法是针对凸极电机而使用的，在凸极电机中绕组自感可以看做是绕组轴线与转子直轴夹角的函数，通过检测电感值经过计算可以大致地获得转子位置信息，再根据铁心饱和程度的变化趋势来确定极性，从而获得精确的位置信号。不过这种方法只能应用存凸极电机上，应用不广。
    从原理J一说电感法有一定的可行性，但是主要的制约因素是电感值的检测。通常检测电感值是通过传感器将电感值转变为电信号，而由于电机内部本质上是一个非线性系统，由于电机漏电抗，气隙磁通变化的不确定性对绕组电感的干扰而导致检测的不准确对换向信号的干扰作用十分明显，所以这种方法也不是特别常用(6)卡尔曼滤波法卡尔曼滤波器法的思想是从一组有限的对物体位嚣的包含噪声的观察序列预测出物体的坐标位置及速度。状态观测器法是现代控制理论发展应用于无刷直流电机上的一种新型的控制方法，它的基本原理是：打破了传统方法中电压电流与转子位置的关系，从无刷直流电机的基本方程经过离散变换得到以输入转矩，系统噪声为参数的关于转速ω与位置角度θ的状态方程，然后根据卡尔曼滤波公式和无刷直流电机模型，确定经变换后的各个参数的维数，带人卡尔曼递推公式就可以得到经过卡尔曼滤波之后荚于转速和角度的预测方程，、这种方法由于在算法上的理论支持，所以能够较好的滤除掉系统产生的干扰信号，对转子位置的预测也比较准确。但是其应用并不是很广泛，因为算法复杂导致软件编写困难以及对控制器运算速度的要求较高，增大了开发成本。另外预测方程巾的估测参数仍是绕组电压电流，因此参数确定的精确程度也一定程度上左右了这种方法的可行性。相关义献24]对这种方法做了一定程度上的介绍。
    (7)扰动观测器法文献[25]提出了一种新的榆测转子位置的方法：
    扰动观测器法。这种方法的主要原理是：将无刷直流电机的非线性归算到反电势中，然后把反电势看做一个常量的扰动。设计一个扰动观测器，用于观测反电势的过零点，此过零点包括了转子真正的过零点信号以及其他的干扰，将这个干扰信号消除掉，把过零信号分离出来，就能实现对反电势过零信号的检测。与状态观测器法一样，它也是现代控制理论在无刷直流电机上的应用，因此算法的准确性以及滤波器参数的设计决定了该方法的准确性，同时该方法的控制策略不涉及转速，因此调速范围也比较宽。
    与状态观测器法一样，这种方法使得程序变得复杂同时对控制器运算速度要求较高，在一般的系统中使用也比较少。
    (8)神经网络法有文献[26]提出这种方法，同前面两者一样，也是基于现代控制理论的控制方法。主要原理为：
    将定子电压电流写成相量形式，然后写出基于实际测得的相电压相电流算得的磁链实际值与基于转子位置得到的磁链预测值，预测值由训练好的RBF神经网络获得。然后用两者的偏差来修正RBF神经网络的权值，使得预测值渐渐逼近真实值。通过不断地获得数据来训练神经网络的熟练性。
    这种方法的出发点就是基于电机系统的非线性，RBF‘有着良好的非线性能力，因此在处理电压电流信号后能获得准确度很高的转子位置信号，不足的是系统过于复杂，实用性不强。
    (9)涡流法有文献[27]提出涡流效应法。这种方法的基本原理是在表面粘贴非磁性导电材料，通过测量导电材料中由于转动而产生的涡流对开路一相相电压的影响来判断转子位置。
    这种方法在电机启动或者低速的时候能够保障可靠运行，但是由于要在转子上加入其它材料，为了检测方便通常需要改变转子形状，增加了工艺上的难度，应用已不是很广泛。
    (10)其他方法针对电压检测法巾速度变化，滤波器等带来的误差，文献[28]提出了基于通过检测相电流来获取转子位置的方法。而文献[29]提出使用多个参数的状态方程来估计转子位置信号的方法，较之之前的状态观测器法，参数的增多有利于各个参数之间误差自适应消除，使得总的位置误差变得更小，但是由于参数里含有转速变量使得低速时效果不好：以及其他文献[30]提出的用非线性观测器来观测电压电流信号，这样运算过于复杂，实践性不强。
    4结语
无刷直流电机转子位置辨识方法有许多的种类，但就目前来看，反电势及其各种改进方法还是应用****，技术最成熟的方法。虽然其在理论上做了一定程度上的近似而且在低速是性能有待提高，但是由于检测方便，对控制器要求较低，简单可靠，而且工程上对其误差的修正也比较容易，从而使该种方法成为无刷直流电机转子位置检测的主流；电感法，电流法，涡流法等由于对传感器的高要求以及实现的困难从而应用较少；而各种基于现代控制理论以及先进算法的无位置传感器虽然在检测精度以及调速范围上远远****于反电势法，但是由于算法的复杂性以及对控制器运算速度上的要求，使得成本偏高，只能在对性能要求较高的场合使用。

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