發布日期：2022-10-09 點擊率：139
憑借高功率密度，堅固的結構的優勢，無刷直流 （BLDC）電機在許多應用領域中發揮了重要作用，特別在高性能應用。例如，采用機床和機器人中的伺服器位置傳感器，能夠成功啟動和操作。由于成本的問題， 低性能應用，空間受限以及位置傳感器的可靠性推動了無傳感器控制的研究。除此之外，快速，持續改進功能強大且經濟的微處理器和數字信號處理器（DSP）加快了無傳感器的發展 控制技術，無刷直流 （BLDC）電機廣泛應用于汽車領域空調壓縮機，發動機冷卻風扇，燃油/水泵等。
無刷直流 （BLDC）電機是一種同步電機，它看起來就像直流電機，在電流與轉矩，電壓和轉速之間具有線性關系。它是一個電子控制的換向系統，而不是機械的換向，這是有刷電機的典型特征。另外，電磁體不移動，永磁體旋轉，電樞保持靜態，這解決了如何將電流傳遞到運動的電樞的問題。用智能電子控制器代替電刷系統/換向器組件，控制器執行與有刷直流電機實現了相同的功率分配。 BLDC電機比有刷DC電機和感應電機具有更多優勢，例如具有更好的速度與轉矩特性，高動態響應，高效和可靠，使用壽命長（無電刷腐蝕），無噪音運行，更高的轉速范圍以及降低了電磁干擾（EMI）。傳遞的轉矩與電機尺寸的比率更高，使其在空間和重量是關鍵因素的應用中特別有用，尤其在航空航天應用中。
基于無刷直流電機（BLDC）的無傳感器控制技術，反電動勢（EMF）檢測方法已被廣泛應用于工業和商業領域。眾所周知，反電動勢的大小為與電機速度成正比，因此無法應用反電動勢檢測電機靜止時的正確運行。為了解決這個問題，已經開發了許多方法，其中之一被稱為三步啟動方法，首先將轉子對準預定方向，然后使電機加速，利用反電動勢開環的方案。這種啟動方法很簡單，容易實施，但會受到負載的影響，可能暫時導致反向，不能應用于不允許旋轉的領域。
獲得轉子位置信息的方式有很多，在無傳感器控制技術中，轉子位置信息是通過從三個電機端子電壓之一間接檢測反電動勢（電動勢）來確定的。三個BLDC電機相繞組中只有兩個同時導通，第三個非導通相將反向導通，可以間接計算轉子位置和速度的電動勢。具有傳感器的BLDC電機驅動器一般會使用帶有轉子位置傳感器的三相PWM逆變器來執行相位換相和/或電流控制。
無傳感器控制技術最初被認為是節省成本的好處，它可以提高系統可靠性，減少電氣連接的數量，消除機械對準問題并減小電機的尺寸和重量。無傳感器控制通常沒有轉子位置傳感器的BLDC電機，取消了轉子位置傳感器（例如，光學編碼器，霍爾效應傳感器，旋轉變壓器，電纜和解碼電路），通過降低可靠性和耐用性來降低制造成本。目前，無傳感器技術尚未得到廣泛采用，將來有望成為主要的BLDC電機控制方法。
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（
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）發明名稱
無傳感器電機控制
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）摘要
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本公開涉及無傳感器電機控制。例如，一
種用于無刷直流
(BLDC)
電機的控制器電路可被配
置為估計
BLDC
電機的轉子位置，并且使用估計的
轉子位置向
BLDC
電機的定子繞組施加恒定啟動電
壓，直到定子繞組處的電流對應于局部最小電
流。控制器電路可進一步被配置為：響應于定子
繞組處的電流對應于局部最小電流，允許定子繞
組處的電流的換流，響應于允許定子繞組處的電
流的換流計算轉子位置，并且使用計算的轉子位
原標題：無位置傳感器的電機控制你知道嗎？看完這篇就懂了
一、前言
電機控制一般使用閉環控制，這就必須使用傳感器，如：霍爾傳感器、編碼盤等。
但是有的應用場合下，難以安裝霍爾傳感器、編碼盤，或者就算是安裝好，也很容易損壞。
霍爾傳感器、編碼盤都屬于位置傳感器。那么，無位置傳感器，是否也能控制電機？
答案是可以的。
二、方案
VBUS測量電機的母線電壓，假設電機由直流50V供電，則測量直流50V；由交220V供電，則測量直流310V。
IBUS測量電機總電流，可用于防過流、電流環控制。
Demand是給定的轉速，用滑動電位器模擬轉速的輸入。
AN3、AN4、AN5引腳，用于測量電機的三相電壓。
這樣一來，沒有了位置傳感器，大大簡化了設備的安裝步驟。但是，會產生另外的一些問題。
電機如何啟動？如何換相？如何調速？
三、硬件
MOS管驅動使用L6388ED，其內部邏輯可以防止高邊和低邊MOS管同時導通。有自舉電容讓高邊MOS導通。
在單片機初始化時，要給L6388ED的自舉電容充電一段時間，否則高邊MOS管可能不導通，或者不完全導通。
L6388ED內部框圖如圖所示。LIN=1，HIN=0，則LVG導通，HVG不導通，Cboot充電。
L6388ED自舉電容的容值可以由手冊上的公式計算得出，我這里控制低速電機，用的是10uF。
一旦自舉電容充完電手，MOS管可以在一段時間內不需要充電，一般是電機每次啟動時充電。
建議使用15V給L6388ED供電，使用12V的話，可能讓MOS不導通或不完全導通，如下圖所示。
測量三相電壓，如下圖所示，NET_W是W相的電壓，而W可以直接接單片機的ADC，C11為100nF電容，該電容可以平滑相電壓，不能去掉，否則無法檢測反電動勢。U相和V相與此類似，這里不再贅述。
平滑之后的波形，呈馬鞍型，如下圖所示。
四、單片機算法
該算法分三個部分，對齊轉子、開環強制換相、利用反電動勢閉環換相。
4.1 對齊轉子。
先給自舉電容充電，然后強制給某一相PWM，讓轉子對齊在一個固定的扇區。
這種方法在絕大多數的情況下都能對齊，若不能對齊，會啟動失敗，此時，重新啟動即可。
對齊轉子的時間不宜過長，針對本文的低速電機，對齊時間約200ms。
4.2 開環強制換相。
這里的開環是指未檢測到反電動勢，強制輸出PWM，并且在預算好的時間換相，從而讓電機轉起來。
換相的方法，不同的電機可能不一樣（如：極數不同），這里使用六步換相，如下圖所示。
其中，+VBUS表示上橋臂給PWM，-VBUS表示下橋臂給高電平導通，斜線表示上、下橋臂均不導通。
上、下橋臂均不導通時，電機會產生反電動勢。
4.3 利用反電動勢閉環換相。
理想情況下，上、下橋臂均不導通時，在電機某一相電壓檢測到反電動勢過零，但是過零時刻和實際要換相的時刻，相差30度角。所以，在檢測到反電動勢過零之后，要延時30度，再換相。
實際情況下，延時的30度還要根據單片機內部的ADC采樣，濾波算法進行補償，這里的補償的角度一般是超前的。
假設超前x度，那么實際換相時刻為(30-x)度。
BEMF就是反電動勢，紅色箭頭指向的是換相時刻，如下圖所示。
但是，ADC采樣的電壓都是正電壓，沒有負，那就需要構造一個虛擬中性點。
把三相電壓加起來取平均值，就是虛擬中性點。如下圖所示。
把虛擬中性點當作是零點，這樣就能做到過零檢測。
虛擬中性點并不是一個恒定值，它的波形如下圖所示，類似正弦波。
檢測反電動勢過零，有兩種方法，一種是比較器，另一種是ADC采樣后濾波。
用比較器的方法，優點是減少單片機的運算量，缺點是增加硬件成本。
用ADC采樣的方法，優點是減少硬件成本，缺點是增加單片機的運算量。
由于這里需要用到的ADC采樣率要求不高（20KHz SPS），所以用單片機內部集成的ADC即可。
這里采用ADC采樣的方法。其濾波算法稱為擇多算法，在另一篇博文再詳細介紹。
五、注意事項
1、ADC要在PWM高電平的中部采樣，可以避免毛刺的干擾。
2、六步換相的步調必須正確，否則無法檢測反電動勢。
六步換相有問題，可能不出現紅圈中的豎線，也可能不出現藍圈中的反電動勢。反電動勢有問題，電機無法加速。
3、可以使用互補的PWM，也可以使用上橋臂為PWM，下橋臂為高低電平。
4、黃色為經過比較器后的波形（非本文使用的方法），藍色為經過電阻分壓和電容濾波后的波形。如下圖所示。
經過比較器后的波形會產生三條豎線，這三條豎線是由于換相引起的，所以在換相時，不判斷過零。在不換相時，去抖，判斷邊沿翻轉即是過零點，此方法比ADC濾波要簡單一些。
5、換相時刻不正確的波形，如下圖所示。
無位置傳感器的電機控制暫時就講解到這里，從上文，大家或許無位置傳感器的電機控制存在影響較大，因此發燒友學院一直在致力于尋找有實戰經驗的硬件教育團隊，聯合一起策劃張飛團隊新推出了一門全硬件無位置馬達驅動器套件的系統培訓課程，希望能幫助硬件工程師們能快速入門學會并在工作中去應用。
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責任編輯：
引言
pmsm因其高轉矩慣性比、高能量密度、高效率等固有特點廣泛應用于航空航天、電動車、工業伺服等領域。伴隨著高性能磁性材料、電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的發展，特別是矢量控制和直接轉矩控制等高性能控制策略的提出，使得pmsm調速系統得以迅猛發展。pmsm矢量控制效法直流電機通過轉矩分量和勵磁分量解耦控制獲得了優良動靜態性能。打破了高性能電力傳動領域直流調速系統一家獨大的局面，并逐步邁進交流調速系統時代。
高性能pmsm控制系統依賴于可靠的傳感器裝置和精確的檢測技術。傳統控制系統多采用光電編碼器，旋轉變壓器等機械傳感器獲得轉子位置信息。但是機械傳感器安裝維護困難，不但增加了系統機械結構復雜度，而且影響了系統動靜態性能，降低了系統魯棒性和可靠性。pmsm矢量控制系統性能往往受限于機械傳感器精度和響應速度，而高精度、高分辨率的機械傳感器價格昂貴，不但提高了驅動控制系統成本，還限制了驅動裝置在惡劣條件下的應用。機械傳感器低成本、高精度、高可靠性的自身矛盾根本的解決方法就是去掉機械傳感器而采取無傳感器技術。因此，pmsm無傳感器控制技術的研究迅速成為熱點。
pmsm國內外研究現狀
國外在20世紀70年代就開展無傳感器控制技術的研究工作。在其后的20多年里，國內外學者對交流電機的無傳感器運行進行了廣泛的研究并提出了很多方法。這些研究成果使得無傳感器控制的電機驅動系統能夠應用于更多的工業領域中。
pmsm無傳感器技術主要兩個發展階段：第一代采用無傳感器矢量控制技術的交流電動機經過近10年的研究和原型機試驗已經出現在市場上。第一代無傳感器電動機的調速精度不高，可以正常工作的速度范圍也有限，在低速、零速時，機械特性很軟且誤差變得很大，無法進行調速。第一代無傳感器技術還很不完善，因此限制了它的使用范圍?，F在正在研制的是第二代無傳感器技術，人們預計將能有更高的精度且在零速時也能進行完全的轉矩控制，可與傳統的矢量控制技術相媲美。第二代無傳感器技術預期的應用領域與第一代無傳感器技術基本相同，但有更好的動態特性。
pmsm無傳感器控制技術綜述
pmsm無傳感器技術自榮獲國內外學者的廣泛關注之后，研究進展很快，已取得階段性成果，部分技術已實用化。從pmsm自身特點的深入挖掘到眾多現代控制理論的引用，pmsm無傳感器控制理論正不斷的推陳出新。現對pmsm無傳感器控制主流理論綜述如下。
基于pmsm基本電磁關系估計方法
pmsm基本控制思想是實現磁場定向控制，無論是控制電壓、電流或頻率其控制性能的優劣最終還是取決于對磁場的控制好壞?；趐msm基本電磁關系的無傳感器技術著眼于pmsm定子磁鏈空間矢量方程、定子電壓矢量方程等，通過檢測電機電流、電壓估計所含轉子信息的物理量如磁鏈、感應電動勢等以實現轉子位置的估計。基于pmsm基本電磁關系的無傳感器方法有開環和閉環兩種方式。采用定子電壓矢量方程估計出感應電動勢，進而以反正切函數估算出轉子位置方法通常為開環形式。而采用定子磁鏈空間矢量方程首先用電壓矢量積分計算出定子磁鏈矢量，然后通過快速迭代計算出等效同步電感，進而估計出轉子位置信息的方法有開環和閉環兩種形式。其優點是計算量小、簡單、易于實現。但是由于該方法是基于pmsm數學模型，雖然可以選取不同的數學模型，但無論采用什么數學模型，都涉及電機參數。電機參數如定子電阻隨溫度變化，電感隨電機負載和磁路飽和程度變化，均影響估計準確性。因此，應用該方法最好結合電機參數在線辨識。
假定旋轉坐標法
假定旋轉坐標法著眼于兩相旋轉坐標系下pmsm數學模型電壓方程，提出可控參考坐標用于無傳感器控制，該坐標稱為估計坐標。它不是同步旋轉坐標，而是定向于已知的估計位置，并且可按確定控制規律自行調整坐標。具體為以檢測電壓、電流估算位置偏差，通過pll調節器來調節位置偏差估計使得假轉子位置與實際轉子位置趨于一致。該方法保證其估計精度核心是準確估計位置偏差，雖然數學模型是精確地，但估計精度仍然受電機參數變化影響，同時也受電流檢測精度影響，雖然采用了閉環控制，但依然沒有完全擺脫對電機參數的依賴性。該方法本質上也是基于反電動勢的一種估計方法。因此，難以應用于靜止和低速運行的無傳感器控制中。盡管如此，該方法所構成的控制系統相對簡單，由于采用了pll調節器，提高了系統的估計精度和穩定性，并能獲得良好的穩態性能。
模型參考自適應系統
模型參考自適應系統（mras）基本思想是將不含未知參數的方程作為參考模型，將含有估計參數的方程作為可調模型，兩模型不但具有相同輸入量，而且具有相同物理意義的輸出量。并同時工作，利用輸出量差值根據合適的自適應規律，以實時調節估計參數，達到可調模型跟蹤參考模型的目的。根據參考模型與可調模型的不同選擇，可以構造多種模型參考自適應系統轉速辨識模型。最常用的方法基于反電勢的mras算法，其優點是系統性完全取決于參考模型。但其缺點是在低速時，對定子電阻敏感，導致轉速辨識不準甚至發散，同樣無法解決低速問題。
基于觀測器技術的位置辨識方法
觀測器實質是一種狀態重構，即重新構造一個系統，利用原系統中可直接測量的變量作為他的輸入信號，并使其重構狀態在一定條件下等價于原系統狀態。等價的原則為兩者的誤差在動態變化中能夠漸近穩定地趨于零。這個用以實現重構的系統稱為觀測器。
觀測器按信號類型分為確定性觀測器和隨機性觀測器，按系統分為線性觀測器和非線性觀測器。觀測器基本結構是由電機數學模型所構成狀態估計方程加之以校正環節，兩者構成閉環的狀態估計，即觀測器。電氣領域學者汲取世界眾多科學領域理論成果，結合各學科前沿思想創造性融入觀測器理論之中，形成諸多有價值不同控制思想的觀測器。在pmsm無傳感器技術中常采用自適應全階觀測器、擴展卡爾曼濾波器（ekf）和滑模觀測器（smo）。
（1）自適應全階觀測器
自適應觀測器是融自適應控制于觀測器理論的一種無傳感器技術?；舅枷胧菍⒆赃m應控制引入觀測器結構的校正環節，實現轉速自適應控制。pmsm自適應全階觀測器首先以pmsm兩相旋轉坐標系下電壓方程構建電流觀測器。然后以經過標準化處理的pmsm數學模型作為參考模型。以構建的電流觀測器為可調模型，用兩個模型輸出誤差驅動自適應機構。在自適應規律作用下，能夠不斷地修正待估參數，以使兩模型輸出誤差趨于零。自適應觀測器不僅可以用來估計pmsm轉子位置和速度，而且是基于波波夫穩定性理論辨識電機參數，減少了參數變化的影響，提高系統的穩健性。
（2）擴展卡爾曼濾波器
卡爾曼濾波器同樣也觀測器的一種。是卡爾曼濾波思想在觀測器理論的應用。擴展卡爾曼濾波器同其他觀測器一樣，能夠跟蹤系統狀態，其所不同的是它是非線性的、隨機的。ekf狀態估計分為兩大階段：預測階段和校正階段。在預測階段由上一次估計所得結果推算下一次估計的預測值。在校正階段為利用實際輸出和預測輸出偏差對預測值進行反饋校正?？柭鼮V波實質就是對預測值反饋校正。因此，不僅具有優化和自適應能力，而且可以更好地抑制測量噪聲和系統噪聲。但是ekf濾波器缺點在于系統測量噪聲和系統噪聲的未知，帶來的問題是難于采用確定的辦法選擇ekf濾波器中協方差矩陣。一般采用試湊法選擇協方差矩陣，而協方差矩陣關系到系統動態性能及其穩定性。因此，協方差矩陣的確定關乎系統穩定與否顯得至關重要。
（3）滑模觀測器
滑模觀測器是滑模變結構控制在觀測器理論的一種應用。其特點是性能完全由其滑模超平面決定，過渡過程不會產生超調，整個系統對本身參數變化及外部擾動均具有較強的穩健性。基本思想是首先根據pmsm數學模型建立滑模電流觀測器，選擇滑模觀測器觀測電流與實際電流偏差為滑模超平面，該偏差經砰砰控制，估算出含高次諧波的感應電動勢構成系統閉環，含有高次的感應電動勢經濾波后計算得出位置和轉速。估計變量中含有高次諧波是滑模觀測器的不足之處，這影響了高性能伺服系統中的應用，盡管可以進行濾波處理，但通常方式的濾波會引起相位偏差。如前所述卡爾曼濾波器可以考慮噪聲對系統的影響，可以將滑模觀測器與卡爾曼濾波有效結合，成分發揮卡爾曼濾波的長處，構成更加完善的觀測器。
基于pmsm電機特性估計方法
pmsm無傳感器技術多數基于感應電動勢得以估計轉子位置。但當轉速很低或零速時，感應電動勢趨于零，轉子磁極位置難于精確估計，甚至無法估計。高頻信號注入法是基于pmsm電機特性——凸極性以實現轉子磁極位置的觀測，具有很大優勢，其主要方法有旋轉電壓矢量法和脈動電壓矢量法。
（1）旋轉電壓矢量法
旋轉電壓注入法是向插入式pmsm電機注入三相對稱的高頻正弦電壓信號，在電機內會產生幅值恒定而高速旋轉的空間電壓矢量，空間電壓矢量在電機內產生旋轉磁場，受到轉子凸極周期性地調制，調制結果自然要反映在電流響應上，定子高頻電流成為包含有轉子位置信息的載波電流，進行解調處理后就可以從中提取出相關的轉子位置信息，以此構成各種閉環控制系統，實現無傳感器的矢量控制或直接轉矩控制。是目前十分受關注的一種無傳感器控制方法。
（2）脈動電壓矢量法
脈動電壓注入法是向永磁同步電機注入脈動電壓矢量，脈動電壓矢量與勵磁磁場疊加，這會改變勵磁磁路的飽和程度，使勵磁磁路具有凸極性，這種凸極特性對脈動電壓矢量產生調制作用，這種調制作用隨著脈動電壓偏離勵磁磁極軸線變化而變化，這種變化反映在高頻電流響應中，因此在這個電流響應中便會載有轉子位置估計誤差的信息。
兩者均利用電機的凸極特性調制，但是旋轉電壓注入法的凸極性是屬于結構性凸極，即應用于插入式pmsm。而脈動電壓注入法凸極性主要是飽和性凸極，結構性凸極對高頻電壓調制作用微弱。即可應用于面裝式pmsm，而旋轉電壓注入法卻不能。兩種方法均適用于低速估計，也可用于初始位置估計，均利用pmsm的凸極性，而不依賴于電機的數學模型和參數。脈動電壓輸入法特點在于不依賴于電機參數和運行狀態，可以工作在全速域內，甚至零速狀態下。
基于人工智能理論的估算方法
基于神經網絡人工智能理論估算轉子位置方法是以mras為大背景而提出，目的在于利用其模型參考自適應系統的簡單，穩定，改善mras在低速區速度估計精度并提高其對電機參數敏感程度。隨著人工智能理論的不斷發展和完善，研究無傳感器技術應用神經網絡理論以神經網絡取代pmsm電流模型轉子觀測器，并以誤差方向傳播算法取代比例積分自適應進行位置估計。網絡的輸入輸出具有明確的物理意義。網絡權值為電機參數，網絡的學習過程就是速度和位置估計過程。極具理論意義，但其理論研究尚不成熟，硬件實現也有一定的困難?，F智能控制理論如神經網絡、專家系統、模糊控制在電力傳動領域應用方面論文屢有發表，但實現其產業化尚有一段距離。
pmsm無傳感器控制技術發展趨勢
pmsm無傳感器控制是目前pmsm控制理論發展方向，其理論成果拓寬了pmsm應用領域。pmsm無傳感器控制基本思想都是通過檢測電壓、電流引用相應控制理論實現轉子信息的估計。但尚無一種pmsm無傳感器控制可實現pmsm系統全速運行。一方面由于高頻信號注入法在零低速領域的絕對優勢，使其有望成為pmsm系統全速運行的一種方法，但是由于高頻信號注入法本身帶來的一些問題尚需更進一步的研究，是眾多學者專攻的一個方向。另一方面人們基于觀測器分析方法引入現代控制理論如自適應控制、變結構控制以及非線性控制形成眾多無傳感器控制方法，每一種控制方法都有其自身優點，同時也存在一些問題，單一的控制很難取得理想的控制效果，探討將各種控制互相滲透和復合可以更好的提高無傳感控制性能是未來無傳感器控制技術的發展方向。
結語
本文綜述pmsm無傳感器控制技術發展現狀，分析比較pmsm無傳感器控制技術各種方法優缺點，指明pmsm無傳感器控制技術研究重點和所要解決的問題，預測pmsm無傳感器控制技術未來發展方向：一是以高頻信號注入法的零低速領域拓展到全速領域的研究方向；二是以基于觀測器的各種現代控制理論結合和滲透的研究方向。
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