无刷直流电动机控制技术

1. 无刷直流电动机调速系统

无刷直流电动机控制系统由电动机本体、逆变器、驱动控制模块和位置传感器四个部分组成，速度闭环控制的调速系统如图5-12所示。电动机的位置传感器提供电动机的位置信号并依此计算出电动机的速度，控制系统中的速度调节器ASR根据电动机实际运行速度和速度指令值得出电流的命令值，根据电动机的电磁转矩表达式可知，控制好电动机的电流也就是控制好电动机的转矩。

无刷直流电动机的电磁转矩表达式为：

控制系统的电流调节器ACR 根据电流反馈值及其命令值计算出电压型逆变器输出的脉冲占空比，经过PWM单元后产生0、1开关信号，并且经由逻辑控制单元最终产生图5-12中六个IGBT开关器件（VT1～VT6）的开关信号。无刷直流电动机工作时，必须基于转子位置信号，通过逆变器对电动机电枢绕组实施电子换相，才能在气隙中产生合适的步进式旋转磁场，该磁场与永磁式转子相互作用，从而驱动无刷直流电动机旋转。

图5-12 无刷直流电动机调速系统框图

（1）调速换相原理分析

通过对第2章无刷直流电动机工作原理分析可以得知，电动机的U相绕组反电动势为正向平顶区域，V 相反电动势为负向平顶区域，控制系统根据转子的位置信号可以获得此信息。磁势为了控制电动机输出较大的转矩，应该使得电动机U、V相绕组分别通过正、负向电流，而W相没有电流，这一点可以通过控制逆变器的VT1、VT6导通，其他开关器件关断来实现，此时，U、V两相定子绕组产生合成磁动势，该磁动势超前转子永磁体120°，在接下来转子转动 60°电角度的过程中，定子三相绕组的通电模式保持不变。当合成磁动势与转子永磁体夹角达到60°后，逆变器导通模式发生变化，其中VT6换相到VT2，即发生横向换相，这种换相模式不会像纵向换相那样容易出现直通短路现象。因此该工作模式更加安全。

（2）弱磁控制

当逆变器可以向电动机提供足够的电压和电流时，电子式换向器的开关状态在电动机转子旋转60°电角度的范围内保持不变，在此过程中，定子合成磁动势与转子位置角度的差值从120°减小到60°。从平均值意义上说，可以认为定子合成磁动势和转子磁动势相互垂直，从而产生较大的转矩。但是当电动机运行速度较高或逆变器直流侧电压较低时，逆变器难以向电动机提供所需的电流，因此待导通的定子相绕组必须提前导通一定的时间，此时相电流超前反电动势，因而会产生一个去磁电流分量，即进行弱磁控制。提前导通角不可太大，一般会控制在60°以内。

2. 无刷直流电动机无位置传感器控制技术

转子位置信号对控制逆变器开关器件的切换，实现定子电流和反电动势的相位控制至关重要，所以转子位置信息的获得是实现无刷直流电动机控制的关键之一。

一般场合中，通常采用安装在电机定子侧的霍尔开关型磁敏元件提供电动机转子的位置信息。但位置传感器的引入增加了电动机成本，对于容量在数百瓦以下的无刷直流电动机，常用的霍尔IC位置传感器的成本通常为电动机本体的30%左右。位置传感器的使用同时会带来更多的信号线，当电动机需要封闭运行时，这些信号线都是不利因素。较多的信号线容易受到干扰，降低系统的抗干扰性，在电动汽车空调、水泵等一些高温、冷冻或腐蚀性的环境中，传感器的可靠性也会降低，甚至会出错或停止工作。

为此，开发无刷直流电动机调速系统的无传感器技术是无刷直流电动机应用中的热点之一。目前已经有反电动势过零法、定子三次谐波电压检测法等多种使用的无位置传感器控制技术，并有国际整流器（IR）等公司开发的无传感器控制的商用集成芯片。

目前，无刷直流电动机常用无传感器控制芯片有以下几种。

（1）ML4428芯片

ML4428芯片是Micro Linear公司开发的用于三角波和星形联结的无刷直流电动机控制器，该芯片采用28脚DIP/SOIC封装，工作电压12 V，可直接驱动MOSFET器件以驱动无刷直流电动机。该芯片采用反电动势过零点检测法实现无传感器控制，并且可以根据外部电压参考值进行电动机的调速控制。

（2）ST7MC1芯片

ST7MC1芯片是ST公司开发的用于正弦波和梯形波永磁电动机的控制芯片，该芯片有六路PWM输出通道，用于转子位置检测的四路模拟输入通道可以接受无传感器、霍尔传感器、测速电动机和编码器等4种工作模式。芯片采用SDIP32/TQFP32封装，5 V电压供电，工作频率低于8 MHz，且芯片具有良好的电磁兼容性能。

此外，无刷直流电动机的无传感器控制芯片也可以选用IRMCK203等用于正弦波无传感器控制的专用控制芯片。