基于脉冲注入法实现的无刷直流电机转子位置检测
摘要：本文提出了一种采用脉冲注入来检测无刷直流电机在静止状态时转子位置的方法。
基于方法依次向定子绕组注入一系列的脉冲，通过脉冲电流的变化对转子位置进行估算。
实验结果表明：该方法不但具有较高的位置检测准确性，同时对电机的参数依赖性低，可以省去电机内部的检测元件，又可以应用到其它电机。
关键词：无刷直流电机转子位置脉冲注入识别
Abstract
This paper presents a method to detect the rotor position of Permanent Magnet motors at standstill by using a suitable sequence of voltage pulses. Based on this method， a suitable sequence of voltage pulses is applied to the stator windings. We can estimate the magnets position by the current variation of the pulses. The obtained results show that this method is not only efficient but also need bit of motor parameters，it can omit motor internal examination parts and may be used on other type of motors.
Key words: BLDCM Rotor position Pulses injection Recognition
引言
近年来，由于无位置传感器无刷直流电机(BLDCM)具有调速特性好、无换向火花、无无线电干扰、效率高、寿命长、运行可靠、维护简便等优点，其应用越来越广泛。
检测电机转子位置是无刷直流电机研究的一个重要课题。
转子位置的不确定，将直接导致电机起动失败或短暂反转。
目前，无刷直流电机的起动方法有硬件起动和软件起动。
但是硬件起动方式的最大缺点就是附加的起动电路加大了电机的尺寸，而且对电机的可靠性也有所降低。
软件起动方式中的预定位起动，需要先把转子驱动到某一特定位置，停止摆动后再对转子驱动【1】。
由于转子的惯性，会使驱动时间变长。
本文提出了一种在转子静止时检测电机的方法。
永磁电机中转子的位置不同，电机的磁场分布不同，对定子中各相电流的影响也不同【2】，作者就是利用定子中电流的变化，通过向定子中发送一系列的电流脉冲，根据测量得到的电流峰值来判断转子的位置。
本文简要介绍了其工作原理，对在静止状态下检测转子位置进行了实验，验证了方法的可靠性和可行性。
该方法不仅适用于无刷直流电机，对永磁同步电机以及其它永磁电机也有效，并且对电机的参数没有特殊要求。
1. 基本原理
永磁电机的示意图如图1所示：
图1 基本原理
以A相为例，其内部磁场(
A
ϕ)由永磁
体PM的磁场(
AM
ϕ)和定子电流磁场(
A i
ϕ) 两个效果叠加的。
A AM Ai
ϕϕϕ
=+(1)
如果相电流再高一些，磁路将饱和，并且绕组的自感应系数变小。
如果改变电流的方向，则总磁通就变为：
A AM Ai
ϕϕϕ
=-(2)
这样，磁通将退出饱和，绕组的自感应系数将变高。
正电压脉冲作用，数字控制器通过电流传感器不断对电流进行A/D 变换，当检测脉冲结束时，得到一个峰值电流【3】。
然后再发出一个负电压脉冲，检测得到负的相电流峰值。
比较两个被放大后的电流值可以得到一个电流差
12
A A A
i i i
=-
△(3)
图1状态下各相的测试电流示意图如下所示，由于B，C两相的位置相对与磁铁中心轴对称，所以它们的电流差应该大小相等。
由于A相此时所产生的磁场与磁铁刚好一致正反电流所受到磁场的影响也是最大的，产生的电流差理论上也是最大的。
i
图2 电流示意图
同理，在其它相上，可以得到： 12
1212
A A A
B B B
C C C i i i i i i i i i =-=-=-△△△ (4) 如下图3所示为图1状态下的电流差示意图。
图3电流差和转子位置关系示意图 综合分析所有三相的电流差【2】，可以检测到转子的位置。
设电流差值随着转子位置连续
的变化【4】
(设为正弦地变化如图3所示)，根据它们的组合可以测定转子的绝对位置。
2. 系统硬件电路构成
本系统是基于TI 公司的DSP320LF2407A 设计的。
如前所述，可按表1的顺序给出电流脉冲。
平。
这样可检测得到的是某一相的正相电流，然后加反向电流使电流强制为0，再给VT3，VT4，VT5高电平，得到这一相负电流，由式（4）得到电流差。
同理，可以得
到其它相的电流差。
图4 检测电路
本实验用到DSP 的两个模块。
首先由时事件管理模块A(EV A)发出PWM 信号，从电机出来的电流信号经过模数转换块(ADC)，采到电流差值后，与已有值比较判断转子位置。
3. 实验方法
本实验采用的是雅合全公司生产的70ZWN24-30型号电机，它是一有内部传感器的无刷直流电机，因此电机转子的精确位置可以由传感器获得，进而可以和本实验所得值进行比较。
其参数如表2： 益和偏移误差也是不同的。
为了避免它带来的问题，作者在直流总线上安装一个分流电阻(见图4)。
这样就具有相同的增益误差并且没有偏移误差，得到的电流差更精确。
这种设计的优点是：工作中的六个晶闸管中的某个直流链路电流精确的等于相电流中的一个或它的相反值【5】。
根据表1，可以得到：
1122h h p
h h p i k i i i k i i ''=⋅+=⋅+ (7)
这里k 和p i 分别是增益和电流偏移误差，其中k>0。
计算电流差,h SA M P L E i △，可得： 1212()h h h h i i i k i i k i '''=-=⋅-=⋅△△ (8)
因此，在电路测量中可能出现的调整偏差是不会对计算电流差的精度有影响的。
增益误差对各相的电流差都是一样的，所以就不会对转子的判断造成影响。
为了能使AD 转换和PWM 波形的正确
同步，提高电流采样的可靠性，PWM波形需要1us的延时。
4．实验结果
下图显示出了由上述方法得到的电流差。
实验非常理想，结果表明，能够得到足够检测到的电流差，有效的证明了所提出的方法的有效性。
可以保证电机一直在安全状态下起动。
图6 三相电流差随转子位置变化关系
图7 转子位置误差
5。
结论
这篇论文提出了一种利用脉冲注入来检测永磁电机转子在静止状态下位置的方法。
此方法是利用磁铁的位置不同而引起定子电流变化来估测转子的位置的，能有效的避免瞬时的反转或者起动失败，它不仅适用于无刷直流电机还适用于直流同步电机，并且不需要知道电机参数。
实验结果表明估算误差在[-8 +9]的电角度的范围内，因此可以使电机在安全状态下起动。
由图7可以看出估算误差也是有一定规律的，要进一步减小误差，可以对程序的算法做进一步改进。
参考文献
[1]王冉冉，刘玉庆. 无位置传感器无刷直流电机起动的比较与研究. 微电机2003年第1期.
[2] L. Cardoletti, A. Cassat, M. Jufer, “Indirect Position Detection at Standstill for Brushless DC and Step Motors” Proc. of EPE 89, Aachen, 1989, pp. 1219-1222.
[3] 邓灿，张森林一种新的无刷直流电机起动方法微电机2002 第6期
[4] P. B. Schmidt, M. L. Gasperi, G. Ray, A. H. Wijenayake, “Initial Rotor Angle Detection of Non-Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Machine” Proc. IEEE Industry Application Society Annual Meeting，New Orleans, 1997, pp. 459-463.
[5] F. Parasiliti, R. Petrella, M Tursini, “Low Cost Phase Current Sensing in DSP Based ACDrives”Proc. of the IEEE ISIE’99, Vol. 3, pp. 1284-1289, Bled, Slovenia, 1999.。