《装备制造技术￣２０１４年第９期 无刷直流电机无位置传感器的启动研究 刘红平，崔儒飞，高慧敏 （长安大学工程机械学院，陕西摘西安７１００６４） 要：针对无位置传感器无刷直流电机（ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏｒ，简称ＢＬＤＣＭ）起动时间长，易失步和承载负载能力弱的问 题。基于三段式起动法提出一种改进的启动方法。分析三段式启动过程中加速和切换过程中确保电机不失步的各自条 件，并通过实验验证该方法的可行性。 关键词：无刷直流电机；无位置传感器；三段式启动方法 中图分类号：ＴＭ３３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１４）０９—０２４３—０２ 无刷直流电动机由于具备运行效率高、维护方 接到直流电源上，定子电枢两两相通各相绕组不断 便、结构简单、调速性能好和可靠性高等优点【 】得到 地换相通电同时产生电流，使定子磁场和转子磁极 了广泛的应用。对无刷直流电机无位置传感器控制 主磁场在运行过程中始终保持垂直，产生推动转子 研究的关键是如何获得转子的初始位置，目前可以 旋转的最大转矩，从而驱动电机运转。通过软、硬件这两种方式来间接获得转子的位置信 息，以触发导通相应的功率开关器件，从而驱动电机 ２三段式启动方法 正常运转。 对无位置传感器无刷直流电机的研究主要有反 基于反电势检测法的三段式起动方法包括转子 电动势过零点检测法、反电动势三次谐波检测法、电 预定位、加速和运行状态切换三个阶段。先以它控式 感法、续流二极管法、人工智能法等方法【卜２Ｊ，目前应 外同步的方法从静止开始加速，直到无刷直流电机 用最广泛且技术最成熟的转子位置检测方法是反电 电机被加速到一定的速度，在一定条件下也就是能 动势法。可是，当电机处于静止或低速工况时，电机 有效检测到反电势时，再切换到自同步运行状态。 反电势为零或过小从而无法有效检测，因此，无刷电 ２．１转子预定位 机的启动研究成为研究的重点与难点。常用的基于 转子预定位即是在启动的开始时根据电机的导 反电势启动方法主要有：三段式启动、预定位起动 通顺序确定一个相应通电状态，从而使转子转动到 一法、升频升压同步起动法、短时检测脉冲转子定位起 个预知的位置。由于在启动过程中，反电势法的三 动法等等ｆ１１。文献［３～８］应用了三段式启动方法并对 路转子位置信号无法有效检测，可以通过信号发生 此方法做了深入的分析与研究，本文针对无位置传 器产生一系列与三路转子位置信号相对应的同步信 感器无刷直流电机三段式启动方法存在的问题，采 号，这三路同步信号存在有六种组合状态。因此采用 用改进的三段式启动方法，以此实现对无位置传感 给电机预先设定好的某一组合状态通电一段时间使 器无刷直流电机平滑、可靠的启动。 转子转到一个预知的位置，此为电机转子加速的初 始位置这个过程成为转子的预定位，是比较容易实 现的。 １ 无刷直流电机的工作原理 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，但无刷直流电动机为了去掉电刷，将电 枢放到定子上去，而转子制成永磁体。无刷直流电机 一２．２强推加速 强推加速属于外同步运行，其通过电机外部施 加的同步信号进行换相的运行状态。信号发生器按 预先设定好的顺序改变三路同步信号的组合状态， 各相绕组的导通时间逐渐缩短，与此同时通过提高 的工作状态，其电枢绕组采用三相形式，经由逆变器 电机外施电压改变ＰＷＭ占空比，从而确保在电机不 般是三相六状态星型连接方式，并采用两两相通 收稿日期：２０１４—０６—０１ 作者简介：刘红平（１９８９一），女，汉族，湖北荆门人，长安大学在读硕士，研究方向：机械电子工程。 ２４３ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．９，２０１４ 失步的前提下转子转速也逐渐提高。在转子转速加 失步的情况。因此，为了确保电机顺利平稳的切换， 速的过程中，需要设定一个合理的加速曲线，因此信 在切换前应先调节 趋近于零。 号发生器根据电机的实际情况将预先设定的转子转 速理想变化规律称为加速曲线。通常采用软件优化 ３结束语 加速曲线的启动方法，可以快速稳定的将电机加速 到某一转速。 无刷直流电机无位置传感器的启动方法有许 然而实际上，由同步信号所得的相应触发信号 多，但就目前情况来看，基于反电势的三段式启动技 会存在一个滞后角度６，每一个逆变过程，电机转子 术比较成熟。作者参考相关文献对三段式启动方法 滞后定子磁势的电角度在（１２０－８）到（６０ ）之间变 的深入分析，提出了相关前提条件，研究证明，三段 化，换言之，转子磁势滞后定子磁势平均（９０－８）电角 式启动方法能实现无刷直流电机的稳定启动。 度。又定、转子磁势相互作用产生的电磁转矩是关于 的函数。通过实践分析证明，要确保电机不失步，必 参考文献： 】夏长亮．无刷直流电动机［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９． 须在加速阶段保证８１＞０。但６受电机参数、加速曲 【１线、外施电压（比如逆变器直流侧电压）、负载大小（） 以及转动惯量等诸多因素的影响。为解决这一问题， 本文提出一种忽略短暂失步的三段式启动方法。 ２．３状态切换 【２】张琛．直流无刷电动机原理及应用［Ｍ】．北京：机械工业出 版社，２００４． 【３］ＡＳＡＥＩ Ｂ，ＲＯＳＴＡＭＩ Ａ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＢＬＤＣ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｓ［Ｊ］ｒ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２００９（５０）：３３７－３４３． 无位置传感器ＢＬＤＣＭ顺利启动的关键在于状 ［４］廖承喜，朱志杰，翁微．无刷直流电机三段式自起动关键 态的切换，当电机加速到一定速度时，就要适时地从 技术研究［Ｊ］．电力电子技术，２００８，４２（５）：６１—６５． 外同步状态切换到自同步状态。在切换过程中，根据 【５】刘海亭，汪剑鸣，窦汝振，等．无刷直流电机启动过程仿真研 电机自身的参数和负载大小适时的选择切换时机， 应用相位鉴别器不断检测外同步信号与检测电路得 到的位置信号的夹角６，并且及时的发出切换命令， 当相位差小于某个角度阈值△时，就切换到自同步 运行，换相时刻由检测到的位置信号决定。这时若外 施电压较高，相电流是持续的，由于电机该相的端电 压的波形是方波，将淹没反电势从而无法有效检测 究［Ｊ］．计算机仿真，２０１２，２９（１）：３８９—３９４． ［６】Ｌｅｅ Ｗ Ｊ，Ｓｕｌ Ｓ Ｋ．Ａ Ｎｅｗ Ｓｔａｒｉｔｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＢＬＤＣ Ｍｏｔｏｓｒ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００６，４２（６）：１５３２－１５３８． ［７】沈建新，吕晓春，杜军红，等．无传感器无刷直流电机三段 式起动技术的深入分析［Ｊ】．微特电机，１９９８，２６（５）：９—１１． 【８】ＤＡＭＯＤＨＡＲＡＮ Ｐ，ＶＡＳＵＤＥＶＡＮ Ｋ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆ ｂａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏ— 到转子的位置信号。该方法的缺点是难以精确测量 ６，难把握切换角度精确性，这将造成电机切换后又 ｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ（ＥＭＦ）ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ［Ｉ．．ＩＥＥＥ Ｔｒｎｓａａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２０１０，２５（３）：６６１－６６８． Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔａｒｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｗｉｔｈｏｕｔ Ｈａｌｌ Ｓｅｎｓｏｒ ＬＩＵ Ｈｏｎｇ－ｐｉｎｇ，ＣＵＩ Ｒｕ－ｆｅｉ，ＧＡＯ Ｈｕｉ－ｍｉｎ （Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｓｕｃｈ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｓ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ，ｏｕｔ—ｏｆ－ｓｔｅｐ ａｎｄ ｗｅａｋ ｌｏａｄ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ） ｓｅｌｆ－ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｓｔｅｐ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａ－ ｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｆｒｏｍ ｌｏｓｉｎｇ－ｓｔｅｐ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｓｔｅｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ－ｃｈａｎｇｉｎｇ ｓｔｅｐ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｓｔｅｐ ｓｔａｒｔｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｉｓ ａｖａｉｌａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ；ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；ｔｈｒｅｅ－ｓｔｅｐ ｓｔａｒｔｉｎｇ ’２４４
