基于线电压的无刷直流电动机无位置传感器换相方法
薛晓明，钱驰波
(常州信息学院，江苏常州213164)
摘要：提出了一种无需构建电机中性点，无需移相，只要对瞬时检测的三相端电压进行简单滤波比较后，就能直接得到与霍尔传感器输出一样的换相信号的新方法，详细分析了该方法的工作原理。理论分析和实验结果表明，该方法与常规的检测方法相比在较宽的转速范围内具有良好的性能。
关键词：无刷直流电动机；滤波的线电压；换相检测：相移电路
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)07—0020—03
0引 言
无刷直流电动机具有结构简单、重量轻、维护少、效率高和控制方便等一系列优点，在办公自动化、计算机外围设备、仪器仪表和家用电器等领域获得了广泛的应用。在变频空调压缩机这类密封设备中，由于压缩机内部的高温和制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器不能正常工作，因此无刷直流电动机的无位置传感器控制成了目前研究的热点，其中如何简单准确地检测无刷直流电动机的转子位置信号是实现无位置传感器控制的关键，很多学者对此进行了研究[1]。
在各类方法中，反电动势过零点检测方法原理简单，实现容易，是目前应用最多的转子位置信号检测方法。文献[2]通过检测断开相绕组端电压来问接获得反电势过零点，但需要构造一个虚拟的电机中性点，会产生大量的开关噪声，导致实际检测信号与反电势过零点有很大的相移。文献[3—5]提出了不需要构造一个虚拟的电机中性点，通过检测断开相绕组端电压直接获得反电势过零点的改进方法。但是，上述方法在检测到反电势过零点后都需要采用结构复杂、成本较高的模拟或数字电路进行相移，才能得到正确的换相时刻，不能使用霍尔传感器所采用的成本低廉的转子位置译码芯片。为了解决上述问题，本文提出对检测的端电压进行简单的RC低通滤波和比较后，得到平均线电压的过零点正好对应相应绕组的换相时刻，无需相移，与采用霍尔检测器传感器的信号完全一致，可使用与霍尔传感器配套的译码芯片，且成本低廉，具有很强的实用性。
1 位置检测原理
具有理想梯形波反电势和方波电枢电流的无刷直流电动机采用三相逆变器供电，每相绕组通电120°电角度，电路如图1所示。为了调节元刷直流
电动机的转速，从节约成本的角度，通常采用上管PWM，下管恒通的控制方式。反电势、电枢电流、换相信号和开关管控制信号如图2所示。
在一个360°电角度周期内，每相有六个区间，每个区间的等效电路如图3所示，假设MOs管和续流二极管的导通电压为零，以A相为例，每个区间的端电压表达式如下：
区间1和2(θ=30°～90°和θ=90°～150°)
在S1导通，S4或S6导通时：
从上述推导的端电压表达式可以发现，每个区间的瞬时端电压波形是PWM调制波。如图4所示。设调制波的占空比为D，经过简单RC低通滤波后，端电压变成了平滑的波形，梯形波、正弦波反电势各个区间平均端电压的表达式如下：
图4为测量的A相瞬时端电压和相应的开关信号。根据式(16)～式(19)，同理，可得到其它两相瞬时端电压经过简单RC低通滤波后的表达式，将各相的滤波后的端电压相互相减得到平均线电压，六个区间滤波后的端电压和线电压表达式如表1所示。
根据表1滤波后的端电压和线电压表达式绘制出它们的波形，为了对比，同时将反电势波形也绘在图中，如图5所示。
从图中发现，滤波后的线电压的过零点恰好与换相时刻完全对应，因此，只要检测出滤波后的线电压的过零点就能得到正确的换相时刻，而无需移相，与霍尔传感器输出的信号完全一致，可以利用与霍尔传感器配套的转子位置译码芯片产生六个开关管的控制信号。根据上述原理，构造的实际检测电路如图6所示。其检测机理是：检测到的瞬时三相PWM端电压信号经分压、RC滤波后送到三个比较器，产生三个换相信号。
2 实验结果
为了验证本文提出方法的正确性，在一台500W、两对极的无刷直流电动机上进行了相应的实验。不同占空比，不同反电势波形滤波后的端电压、线电压和换相信号如图7所示。从图中可以看出，在不同的反电势波形与速度下新方法输出的换相信号与霍尔传感器输出换相信号一致。
3 结语
理论分析和实验结果表明：新的无位置传感器换相检测技术无需构建电机中性点，无需移相，通过对瞬时检测的三相端电压进行简单滤波比较后，在10％～100％的速度范围内得到的换相信号与霍尔传感器输出的换相信号完全一样，可以采用与霍尔传感器相配套的转子位置译码芯片，同时新方法又克服了霍尔传感器的缺点。因此，新方法在无刷直流电动机中将有广泛的应用前景。
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