微特电机　　 2009 年第 10期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　 D设计分析 esignandanalysis 　 基于线电压差的无刷直流电动机反电势检测方法 马建如, 李 　晴 ( 常州信息技术学院, 江苏常州 213164) 摘　要:针对无刷直流电动机传统反电势检测 存在受 PWM调制策略、开关管和二 极管导通 压降影响的 问题, 提 出一种通过检测无刷直流电动机线 电压 差的 过零点 来检 测反电 动势 过零点 的通 用方 法。 理论 分析和 实验 结果证 明, 提出的方法是正确有效的。 关键词:无刷直流电动机;线电压差;反电势;过零点;检测 中图分类号:TM33　　文献标识码:A　　文章 编号:1004 -7018( 2009) 10 -0011 -03 ABackEMFDectectionApproachforBrushlessDCMotorBasedonLineVoltageDifferences ( ChangzhouCollegeofInformationTechnology, Changzhou213164, China) MAJian-ru, LIQing Abstract:Inviewofthetraditionalback-EMFdetectionbytheexistenceeffectsofPWMmodulationstrategy, MOS- FETsanddiodespressuredrop.AgeneralmethodtodetecttherotorpositinforbrushlessDCmotorbydetectingthecrossing -zeroofthelinevoltagedifferencewaspresentedinthispaper.Theoreticalanalysisandexperimentalresultsprovethatthe methodproposediscorrectandeffective. Keywords:brushlessDCmotor;linevoltagedifference;backEMF;zerocrossing;detection 0引 　言 反电势过零法是检测无传感器无刷直流电动机 ( BLDCM)转子位置信息最简单 、实用的方法。 由于 绕组的反电势是难以直接测量的物理量, 目前主要 有两种方法 :一是通过检测电动机端电压信号进行 [ 1 -3] ;二 比较后间接获取绕组反电势信号的过零点 是在 PWM斩波关断或导通期间对电动机的端电压 [ 4 -6] 。 但 进行采样, 直接获取反电势信号的过零点 上述两种方法都是针 对某一种 PWM调制技术, 增 加了设计难度, 而且都受逆变器开关管和二极管压 降的影响, 这大大限制了电动机低速工作对转子位 置的正确检测。 针对上述问题, 本文提出通过检测 线电压差的过零点来检测无位置传感器无刷直流电 动机反电势信号过零点的通用方法, 理论分析和实 验结果证明, 提出的方法能适用于各种 PWM控制 策略对转子位置的检测, 而且硬件实现简单, 成本低 廉, 具有较强的通用性。 1反电势检测原理 具有梯形波反电势的三相无刷直流电动机等效 主电路如图 1所示, 其理想的反电势 、电枢电流波形 如图 2所示 。根据图 1无刷直流电动机三相端电压 收稿日期 :2008 -12-17 改稿日期 :2009 -02-23 回路方程为: Van =Raia +La Vbn =Rbib +Lb dia dt+ea dib dt+eb dic dt+ec ( 1) ( 2) Van =Raia +La ( 3) 式中 :Van、Vbn、Vcn为电动机三相绕组的相电压 ;ia、 ib、ic为电动机三相绕组的相电流 ;ea、eb、ec为电动 机三相绕组的相反电动势。 将式 ( 1)、式 ( 2) 、式 ( 3)相互相减, 得到三相线 电压方程为: Vab =R( ia -ib) +Ld( ia -ib) Vbc =R( ib -ic) +Ld(ib -ic) d(ic -ia) dt +ea -eb ( 4) dt +eb -ec ( 5) dt +ec -ea ( 6) 　　将式 ( 4)、式 ( 5) 、式 ( 6)再相互相减, 得到三相 线电压差方程为: Vca =R(ic -ia) +L 基 于 线 电 压 差 的 无 刷 直 流 电 动 机 反 电 势 检 测 方 法 11　　　 

　　 D设计分析 Vabbc =R( ia -2ib +ic) +L esignandanalysis　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　微特电机　　 2009 年第 10期 　　 之间加了一级 CD4051选择开关, 其目的是选择断 开相进行比较, CD4051的相选择信号 PS由 DSP控 制器提供, 比较器 LM339输出的过零 点信号 Zo即 为反电势过零点的信号 。 d( ia -2ib +ic) ea -2eb +ec Vbcca =R( ib -2ic +ia) +Ld( ib -2ic +ia) dt 2 实验分析 为了验证本文提出方法的正确性, 我们在一台 额定电压为 48 V、额定功率为 500 W的电动车用无 刷直流电动机上进行了相 应的实验。 为 了节省篇 幅, 以上管 PWM调制、下管恒通的 H-PWM-L- ON和每个开关管的前后 30°PWM调制, 中间 60°恒 通的 PWM-ON-PWM两种调制方式为例, 不同 占 空比 、不同 PWM调制方式 测量的线电压差 Vcaab、A 相反电势 ea、线电压差过零点 Zo、逆变器开关管 S1 驱动信号波形如图 5a、图 5b所示 。 占空比为 0.4, 不同 负载 、不同 PWM调制 方 式测 量 的线 电压 差 Vcaab、A相反电势 ea、相电流 ia、逆变器开关管 S1驱 动信号波形如图 6a、图 6b所示。 dt dt + ( 7) + ( 8) + ( 10) ( 11) eb -2ec +ea Vcaab =R( ic -2ia +ib) +Ld( ic -2ia +ib) ec -2ea +eb ( 9) 　　以 0 ～ 60°换相区间为例, 在该区间内 A、B两相 导通, C相断开, 有 ia =-ib, ic =0;ea =-eb, , 将其 代入到式 ( 7) 、式 ( 8)、式 ( 9), 则三相线电压差方程 变为: dt-3eb +ec Vabbc =-3Rib -3Ldib Vbcca =-2ec dib dt+3eb +ec Vcaab =3Rib +3L ( 12) 　　从式 ( 10 )、式 ( 11 )、式 ( 12)中可 以发现, 在 C 相断开时, 变量符号下标中间两个字母为 cc的线电 压差为其放大两倍的 C相反电动势, 而且不含开关 管和续流二极管导通压降和 PWM开关调制波 。 同 理, 当 B相和 C相导通、A相断开时, 线电压差 Vcaab 始终等于 A相反电势 ea的 2 倍;当 A相和 C相导 通、B相断开阶段, 线电压差 Vabbc始终等于 B相反电 势 eb的 2倍 。因此, 通过检测线电压差 Vcaab、Vabbc、 Vbcca的过零点就可以比传统的反电势法在更低的速 度下简单准确地检测到不同 PWM波调制技术控制 的断开相绕组的反电动势 ea、eb、ec过零点, 从而检 测到转子的位置信号, 而且无需滤波电路, 无需构建 虚拟中性点。 图 3给出 了利 用 MATLAB7.0 仿 真的线电压差 Vbcca和反 电势 ec的 波形, 从图中 可以看 出, 仿真 波 形和 理论分析完全一致。 图 3　线电压差 Vbcca和 反电势 ec仿真波形 根据以上原理设计 基 于 线 电 压 差 的 无 刷 直 流 电 动 机 反 电 势 检 测 方 法 12　　　 的线电压差过零点检测 电路, 如图 4所示。 图中在线电压差和过零比较器 从图 5可以看出, 在 5%的额定转速到满速的 范围内, 不同 转速、不同 PWM调制方 式线电 压差 Vcaab的过零点与反电势 ea的过零点完全吻合, 反电 势和相电流的相位重合。 从图 6 中可以看出, 在负 载变化时, 不同 PWM调制方式线电压差 Vcaab的过 零点与反电势 ea的过零点也完全吻合, 反电势和相 电流的相位也重合 。 图 4　线电压差过零点检测原理电路图 

　　微特电机　　 2009 年第 10期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　 D设计分析 esignandanalysis 　 3结 　语 在本文提出的方法中, 反电势过零点信息是通 过检测线电压差的过零点获得的。 结果表明, 提出 的方法在 5% ～ 100%的速度范围内线电压差 的过 零点均与反电势过零点重合, 而且不随负载的变化 而变化, 不受 PWM开关调制策略的影响, 这大大节 省了生产的设计成本 。 同时, 线电压差又是一个放 大的平滑反电势, 而且不包括逆变器开关管和二极 管的导通压降, 和传统的反电势过零法相比, 可以在 更低的电动机转速下检测到转子的位置 。 因此, 提 出的方法具有重要的推广价值 。 参考文献 [ 1] 　OgasawaraS, AkagiH.Anapproachtopositionsensorlessdrivefor brushlessDCmotors[ J] .IEEE Trans.onIndustrialApplication, ( 上接第 3 页 ) 较小 ( 40 μm左右 ) , 而 在位置区 间 [ 80, 100] 中, 开环定 位误差较大 ( 100 μm左 右 ) 。 原因是区 间 [ 80, 100] 中 的线圈 的安 装误 差较 大 ( 区间 [ 100, 120] 中的线圈先被安装, 然后是区 间 [ 80, 100] 中的线圈安 装, 后者积 累的安装误差 较 大 ) 。 开环定位误差的平均值约为 50 μm, 最大值为 110 μm, 说明执行器的 制造精度很高, 或者说 样机 实际模型和理想模型间的偏差很小 。 图 8　开环定位误差曲线 5结 　语 本文对 Halbach型平面电动机及其直线电动机 执行器样机的结构和电磁设计方 案进行了详细 介 绍;引入了执行器的解耦电磁力模型, 并提出了电磁 力的电流控制策略;实验结果表明执行器的电流控 制策略可行, 电磁力模型较准确, 为进一步研究平面 电动机电流控制奠定了基础。 参考文献 [ 1] 　Kim W J.High-PrecisionPlanarMagneticLevitation[ D] .MIT, 1997. [ 2] 　Williams, MarkEdd.Precisionsix-degree-of-freedommagneti- callylevitatedphotolithographystage[ D] .MIT, 1997. [ 3] 　HuTiejun.DesignandControlofa6-degree-freedom Levitated PositionerwithHighprecision[ D] .TexasA＆M University, 2005. [ 4] 　周赣, 黄 学良, 周 勤博, 等 .Halbach型永 磁 阵列 的 应 用综 述 [ J] .微特电机, 2008, 36( 8) :52 -55. 1991, 27 ( 3) :928 -933. [ 2] 　薛晓明, 钱驰波 .基于线电压的无刷直流电 动机无位置传感 器 换相方法 [ J] .微特电机, 2008, 36 ( 7) :20-22. [ 3] 　吴春华 .一种改进 的无刷直 流电动机 无位置 传感器 检测技 术 [ J] .电气传动自动化, 2005, 27( 3) :31 -33. [ 4] 　ShaoJianwen, NolanD, HopkinsT.AnoveldirectbackEMFde- tectionforsensorlessbrushlessDC (BLDC) motordrives[ C] //A PEC'02 Dallas, USA:IEEEPress, 2002:33 -38. [ 5] 　Yen-ShinLai, Yong-kaiLin.Novelback-EMFdectiontech- niqueofbrushlessDCmotordrivesforwiderangecontrolwithout usingcurrentandpositionsensors[ J] .IEEETransactionsonpower eletronics, 2008, 23( 2 ):934-940. [ 6] 　ShaoJ, NolanD, TeissierM, etal.Anovelmicrocontrller-based sensorlessbrushlessDCmotordriveforautomotivefuelpumps[ J] . IEEETrans.onInd.Appl., 2003, 39:1734 -1740. 作者简介 :马建如 ( 1963-) , 女, 副教授, 研究方向为应用电子技术。 [ 5] 　ZhuZQ, HoweD.Halbachpermanentmagnetmachinesandappli- cation:areview[ J] .IEEProceedings:ElectricPowerApplica- tions, 2001, 148 ( 4) :299-308. [ 6] 　GaoWei, DejimaShuichi, YanaiHiroaki, etal.Asurfacemotor- drivenplanarmotionstageintegratedwithaXYθZsurfaceencoder forprecisionpositioning[ J] .PrecisionEngineering, 2004, 28 ( 3 ) : 329 -337. [ 7] 　ChoHS, JungHK.Analysisanddesignofsynchronouspermanent magnetplanarmotors[ J] .IEEETransactionsonEnergyConver- sion, 2002, 17 ( 4) :492 -499. [ 8] 　ChoHS, ImCH, JungHK.Magneticfieldanalysisof2-Dper- manentmagnetarrayforplanarmotor[ J] .IEEETransactionson Magnetics, 2001, 37( 5 ):3762 -3766. [ 9] 　 ChoH S, JungHK.Effectofcoilpositionandwidthonback- EMFconstantofpermanentmagnetplanarmotors[ C] .Electric MachinesandDrivesConference, Cambridge, Massachusetts, USA, 2001. [ 10] 　曹家勇, 朱煜, 汪劲松 .永磁同步平面电动 机三自由度运动 控 制器 [ J] .中国电机工程学报, 2006, 17( 26) :143-147. [ 11] 　TrumperDL, KimW J, WilliamsM E.DesignandAnalysisFrame- workforLinearPermanent-MagnetMachines[ J] .IEEETransac- tionsonIndustryApplications, 1996, 32( 2) :371-379. [ 12] 　周赣, 黄学良, 沈妍, 等 .Halbach型永磁 阵列的磁场分析 [ J] . 微特电机, 2008, 36( 7 ) :1-3. [ 13] 　GanZhou, XueliangHuang, QinboZhou, etal.ResearchonCon- trolMethodsofPlanarMotorsBasedontheModalForces[ C] // TheInternationalConferenceonElectromagneticFieldProblems andApplications, Chongqing, China, 2008. [ 14] 　王晓 明, 王玲 .电动 机的 DSP控制 [ M] .北 京:北京航空航 天 大学出版社, 2005. [ 15] 　苏小林 .计算机控制技术 [ M] .北京 :中国电力出版社, 2004. [ 16] 　武自芳, 虞鹤松, 王秋才 .微机控制系统及其应用 [ M] .北京 : 电子工业出版社, 2007. 基 于 线 电 压 差 的 无 刷 直 流 电 动 机 反 电 势 检 测 方 法 作者简介 :张前 ( 1985 - ), 男, 硕士研究生, 研究方向为电机控制 。 13