南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、諾丁漢大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員，在2018年第13期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor, BLDCM）因具有功率密度高、效率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)一般由安裝在電機(jī)定子上的霍爾傳感器給出。

位置傳感器的機(jī)械安裝限制了BLDCM在較惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，增加了系統(tǒng)成本，降低了可靠性。因此無位置傳感器技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[1,2]。此外，BLDCM存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問題，大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)影響電機(jī)性能，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，損壞電機(jī)軸承，減小電機(jī)壽命。

針對(duì)BLDCM無位置傳感器運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[3]提出了從空閑相端電壓中檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)來得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，該方法原理簡(jiǎn)單，低速和靜止時(shí)反電動(dòng)勢(shì)難以檢測(cè)，因此不適用于低速。同時(shí)，由于換相點(diǎn)與相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)相差30°電角度，在檢測(cè)到相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后需移相30°電角度換相。

文獻(xiàn)[4]提出了從零序電壓中檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)來得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，該方法適用于非理想反電動(dòng)勢(shì)的BLDCM，可產(chǎn)生不依賴于轉(zhuǎn)速的時(shí)移，但濾波器和速率限制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[5,6]提出了用線反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法，該方法無需移相30°電角度，同時(shí)也擴(kuò)大了轉(zhuǎn)速適用范圍，但低通濾波器引起的相移影響了轉(zhuǎn)子位置解算的精確度。文獻(xiàn)[7]采用反電動(dòng)勢(shì)積分法，通過將反電動(dòng)勢(shì)積分和閾值比較得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，該方法需要根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)信息解析計(jì)算閾值，同時(shí)在低速時(shí)存在積分累積誤差問題。

文獻(xiàn)[8]采用三次諧波法，將三次諧波反電動(dòng)勢(shì)積分得到轉(zhuǎn)子磁鏈的三次諧波分量，轉(zhuǎn)子磁鏈的三次諧波分量的過零點(diǎn)與換相點(diǎn)一致，從而得到換相信號(hào)。該方法需要電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)中含有明顯的三次諧波。文獻(xiàn)[9]采用續(xù)流二極管法，對(duì)于PWM調(diào)制的BDLCM，續(xù)流二極管會(huì)使得空閑相被鉗位到母線或地線上，當(dāng)檢測(cè)到空閑相續(xù)流二極管流過電流時(shí)，則對(duì)應(yīng)著空閑相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的位置。但該方法需要額外的電路以及隔離電源檢測(cè)續(xù)流二極管的狀態(tài)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

文獻(xiàn)[10,11]采用磁鏈觀測(cè)法，通過相電壓、相電流、繞組電阻、電感等參數(shù)解算定子磁鏈向量，從定子磁鏈中減去電樞反應(yīng)磁鏈，得到轉(zhuǎn)子磁鏈向量，從而檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置。由于觀測(cè)中存在積分環(huán)節(jié)，受到累積誤差和積分飽和的影響。文獻(xiàn)[12]采用高頻脈沖注入法，利用定子電感飽和特性，通過注入電壓脈沖，比較電流響應(yīng)，估測(cè)轉(zhuǎn)子位置。該方法需要電機(jī)具有凸極性。

此外，學(xué)者們對(duì)用觀測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了研究，常用的觀測(cè)器有卡爾曼濾波器[13]、滑模觀測(cè)器[14]等。

BLDCM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要分為齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、PWM斬波引起的脈動(dòng)、換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[15]以及反電動(dòng)勢(shì)非梯形波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[16]。由于電機(jī)制造工藝偏差、永磁體充磁不理想等問題，大部分BLDCM的反電動(dòng)勢(shì)不是理想的梯形波，接近于正弦波[17]。為了抑制反電動(dòng)勢(shì)非梯形波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，文獻(xiàn)[18]采用最優(yōu)電流控制，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，通入與反電動(dòng)勢(shì)相抵消的電流；文獻(xiàn)[19]采用直接轉(zhuǎn)矩控制，將瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩作為被控對(duì)象。以上兩種方法都避免了方波電流控制引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但均需轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置或者反電動(dòng)勢(shì)信息，算法復(fù)雜。

文獻(xiàn)[20]為解決上述問題提出了平均轉(zhuǎn)矩控制相關(guān)算法，通過控制每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入系統(tǒng)的能量相等抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。該方法適用于任意反電動(dòng)勢(shì)波形的BLDCM，無需轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置和反電動(dòng)勢(shì)信息。

以上分別介紹了BLDCM的兩個(gè)研究熱點(diǎn)，即無位置傳感器運(yùn)行和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。但學(xué)者們都只是分別對(duì)某一方面進(jìn)行了研究。

本文針對(duì)目前大部分BLDCM的反電動(dòng)勢(shì)非理想梯形波接近于正弦波的現(xiàn)狀，對(duì)無位置傳感器運(yùn)行算法進(jìn)行研究，在平均轉(zhuǎn)矩控制抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)接近于正弦波時(shí)平均轉(zhuǎn)矩控制下的電流波形特性，提出了基于平均轉(zhuǎn)矩控制的無位置傳感器運(yùn)行方法，從母線電流中檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)換相。

該方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)無位置傳感器運(yùn)行和抑制非理想反電動(dòng)勢(shì)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。另外，該算法在平均轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上無需增加硬件，僅采用一個(gè)電壓傳感器和電流傳感器，節(jié)約成本，算法簡(jiǎn)單，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性。

圖11 BLDCM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)