电动车用无刷直流电机无位置传感器控制的研究

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浙江大学研究生学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：知砻

ｌ签字日期ｎ『Ｊ年多川叫

学位论文版权使用授权书

迸鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本

论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的本学位论文作者完全了解全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者张粕巷

签字日期：’ｋ导师豁％犰聋签字日期：ＬＩＪ１年岁月，’日ｆ年岁月ｒ／日

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致谢

值此论文脱稿之际，谨向恩师潘再平教授致以最崇高的谢意。在治学上，恩师知识渊博，对学生认真负责，对科研一丝不苟；在生活上，恩师和蔼可亲，对学生循循善诱，无微不至。自本科大三选潘再平老师作导师以来，潘老师一直给予我巨大的帮助，提供最好的学习材料，最好的实验设备。使我在本科期间就得到了很好的科研训练，并非常荣幸的获得了优秀毕业设计的荣誉，为我硕士阶段的科研打下了坚实的基础。衷心祝愿老师身体健康，家庭幸福，事业蒸蒸日上。

感谢实验室已毕业的博士刘旭、硕士罗星宝、杨杰、洪凯星、刘雨佳及实验室在读博士生张震、在读硕士温浩、徐展、黄琦、彭程、张淳等人，给我课题及论文工作的启发和协助。特别要感谢刘旭师兄，能够在实验过程中不厌其烦解答相关技术难题。感谢陈高、邓志奇、唐明、陈智勇、林天散、胡浩峰等同窗好友，你们让我学到了许多课本上学不到的东西，丰富了我的生活。祝愿各位在今后的工作、生活和学习中一帆风顺、前程似锦！

感谢各位评审老师抽出宝贵的时间对我的论文进行评阅！

最后，衷心的感谢我的父母和女友，你们的理解、关怀和鼓励，为我解除了后顾之忧，是我不断前进、克服困难的最大动力，我的每一份收获都离不开你们的支持！

回首浙大六年半的求学生涯，一路走来，得到了无数好心人的指点和帮助，使我各方面得到了很大的成长，也让我度过了一个欢乐的大学时代。希望自己能踏实工作，继续进步，为浙大争光，为自己争气。

梅营

２０１１年１月于求是园

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摘要

由于电力驱动具有节能环保以及方便快捷的优点，各类电动交通工具（包括电动自行车，电动轮椅、电动汽车、电力机车等）得到了越来越广泛的应用。永磁无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）凭借其结构简单、运行效率高、调速性能好以及维护方便等一系列优点，成为电动车领域的主流驱动电机。传统无刷直流电机驱动系统都需要安装位置传感器以提供换相信号，但位置传感器会增加系统成本、尺寸和维护难度。在电动车领域中采用无位置传感器控制技术不仅可以省去位置传感器的费用，减小电机尺寸，节省空间，还可以简化电动车系统复杂性，避免传感器故障引起的换相错误，并使装配和维护更加方便。无刷直流电机无位置传感器控制在电动车领域具有广阔的应用前景。

论文详细介绍了无刷直流电机的运行原理及数学模型，在对反电势过零检测法无位置传感器控制的原理研究的基础上，设计了反电势过零检测电路，并设计了新颖的可调滤波深度电路来解决反电势过零检测中的相移补偿问题。由于在零速或低速时电机反电势为零或很小，基于反电势的控制方法都需要特殊的起动技术，本文在分析常有起动方法的优缺点以及电动车起动的特殊要求后，提出了二种新的基于电感法的起动方法一转子位置闭环起动法，该起动方法包括转子零初始位置检测、转子位置闭环加速以及切换至反电势法运行三个步骤，经验证，该起动方法具有更优良的起动性能，不同负载条件下都能平稳起动，不易失步，无反转，特别适用于电动车应用场合。同时，本文还针对电动车应用的实际需求，设计了起动转矩优化的策略，调速以及能量回馈制动的控制方案。

最后，设计了低成本的、以ＨＣＳ０８单片机为核心的无刷直流电机无位置传感器控制系统的硬件系统，满足电动车应用的需要。在Ｃｏｄｅｗａｒｒｉｏｒ集成开发环境下完成了整个无刷直流电机无位置传感器控制系统的软件设计。实验证明，所设计的软硬件系统能完成无刷直流电机无位置传感器起动及运行控制功能，实现电动车用无刷直流电机的无位置传感器控制起动与运行。

关键词：无刷直流电机无位置传感器控制电动车反电势过零电感法

滤波深度调节能量回馈制动ＩＩ

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｒｅｃｅｎｔｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍａｎｙｋｉｎｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ（ｓｕｃｈ

ｕｓｅｄ．Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓａｓｅｌｅｃｔｒｉｃｂｉｃｙｃｌｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃｗｈｅｅｌｃｈａｉｒ，ａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｃａｒ）ｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙＤＣ（ＢＬＤＣ）ｍｏｔｏｒｓｄｏｍｉｎａｔｅｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｄｒｉｖｅｍｏｔｏｒｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ

ＣｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｐｅｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ．ｕｓｅｔｏｐｒｏｖｉｄｅｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓ，ｗｈｉｃｈ

ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｗｉｌｌｉｎｃｒｅａｓｅｍｏｔｏｒｓｉｚｅ，ｓｙｓｔｅｍ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｌｌ

ｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｎｏｔｃｏｓｔａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ．Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇａｎｄｏｎｌｙｓａｖｅｔｈｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｃｏｓｔｓｐａｃｅｆｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ，ｂｕｔａｌｓｏｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｏｆｓｙｓｔｅｍａｓｓｅｍｂｌｙ

ｔｏａａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ．Ｏｎｃｅｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｉｎｄｕｓｔｒｙ．

Ｂａｓｅｄｏｎｂｅｃｏｍｅｓｍａｔｕｒｅ，ｉｔｗｉｌｌｌｅａｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＢＬＤＣｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｓ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆ

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ａｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＥＶ）ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｎｇ

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ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎａｃｃｏｍｐａｎｉｅｄ、Ⅳｉｔｌｌ

ｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎａｖｏｉｄｔｈｅｔｅｍｐｏｒａｒｙｒｅｖｅｒｓｅｒｏｔａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ．

Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｏｆｓｔａｒｔｉｎｇｔｏｒｑｕｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｓｙｓｔｅｍ

ｏｎｅａｎｄｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇａｒｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＴｈｉｓａｎｄａｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｎｅｅｄｓｏｎｌｙｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒａｔｔｈｅＤＣｂｕｓｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒ

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ｓｔａｂｌｅｓｔａｒｔｉｎｇＣａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ．

ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓＫｅｙｗｏｒｄ：ＢＬＤＣｂａｃｋ—ＥＭＦｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｓａｌｉｅｎｃｙ

ｆｉｌｔｅｒｉｎｇｄｅｐｔｈａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇＩＩＩ

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目录

致谢．

摘要

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

目录………………………………………．

第一章绪论……………

１．１课题研究的背景和意义……………………………………………………………………………………………………１１．２无刷直流电机控制技术的研究现状与发展趋势……………………………………………………………２１．２．１带位置传感器的无捌ｉ漉电机控锄……………………………………………………………………３ｊ．２．２无位置传感器的无励直流电机控张……………………………………………………………………４Ｊ『．２ｊ厉移拦劁方荣矽比裁…………………………………………………………………………………．．７１．３本文主要内容和结构安排……………………………………………………………………………………９

第二章“反电势法”无刷直流电机无位置传感器控制技术

２．１无刷直流电机的工作原理……………………………………………………………………………………ｌｌ２．１．ｊ无删直漉电机控渤系统的基本组成……………：……………………………………………………．．１１２．１．２无励直漉电视的基本原理………………………………………………………………………………ｌ２２．，．３石剜童谫鬯祝矽辫学旋型……………………………………………………………………………，６２．２“反电势法”无位置传感器控制…………………………………………………………………………．１８２．２．ｊ反屯势过零法（Ｂａｃｋ－ＥＭＦｚｅｒｏｃｒｏｓｓ）的基本原理…………………………………………………１８２．２．２友鬯旁矽据玩………………………………………………………………………………．Ｊ『９２．２．３发官旁过零橙铡方珐分笏……………………………………………………………………………．２２２．２．４蘑泷及椤移鬯缪茨栌…………………………………………………………………………………．２５２．３反电势法的位置检测误差与补偿…………………………………………………………………………．２９２．３．Ｊ雾 孑岔置掺删旋羞的窖给分褫………………………………………………………………………．２９２．３．２茨差私缮矽戈旌………………………………………………………………………………………．３１２３．３乡窖：自≯：验丢Ｆ………………………………………………………………………………………………………………………………．３３２．４本章小结……………………………………………………………………………………………………．．３４

第三章无刷直流电机无位置传感器的起动技术研究……

３．１无位置传感器起动过程的一般理论………………………………………………………………………．．３５３．２外同步驱动方式的无位置传感器起动方法………………………………………………………………．３６３．２．，三发式起彩……………………………………………………………………………………………．３６３．２．２矛眵定面±奠留影……………………………………………………………………………………………………………………………３８３．２ｊ矛嬲矛压摩矿步定影……………………………………………………………………………………猡３．２．４．缮ｚ蛰………………………………………………………………………………………………………………………………………４０３．３基于电感法的转子位置闭环起动…………………………………………………………………………．４ｌ３．３．，鬯感法触基≠雳堡……………………………………………………………………………………．彳，３．３．２橙冽芭压矢量……………………………………………………………………………．钉３．３．２雾子勿彩慰置捡蒯……………………………………………………………………………………．４７３．３．３雾子越置局酽环定彩……………………………………………………………………………………钻３．４本章小结……………………………………………………………………………………………………．５０ＩＶ

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第四章基于电动车应用的若干关键技术研究…。５１４．１最大起动转矩的获得………………………………………………………………………………………．５ｌ４，１．１加速电压矢量对起动转矩的影响……………………………………………………………………．．５ｌ４．１．２检测电压矢量对起动转矩的影响……………………………………………………………………．．５１４．１．３起动过程中的挨扭转矩脉动与噪声…………………………………………………………………．．５２４．２双闭环控制方案设计………………………………………………………………………………………．５３４．２．２糙≥税笋…………………………………………………………………………………………………………爿４．２．３鬯涨蒯………………………………………………………………………………………………………………………………．５４４．３能量回馈制动技术…………………………………………………………………………………………．５６４．３．１低速能量回馈翻动原理………………………………………………………………………………．．５６４．３．２４．２．，闭茚堀遘方蓑…………………………………………………………………………………………．＂４．２．４鬯芴珂移器………………………………………………………………………………………………………．巧７纸透膨量厨劈蒯髟拦影方式…………………………………………………………………………．．５９４．４本章小结……………………………………………………………………………………………………。６０

第五章无刷直流电机无位置传感器控制系统软硬件设计……………………………………………………。６ｌ５．１控制系统硬件设计…………………………………………………………………………………………．６ｌ工，．，ＭＣ９Ｓ０８ＭＰｌ６学／箩垅……………………………………………………………………………………………………一６２ｉ，．２功攀主回譬鬯盛……………………………………………………………………………。卯只，．３功荦铲．寥髟鬯謦………………………………………………………………………一甜５．１．４反鬯势逆雾橙蒯詹路……………………………………………………………………贷５．１．５鬯２糍别号对苈徕护鬯廖……………………………………………………………．．钐工１．６鬯谬鬯謦……………………………………………………………………………………～硒５．，．７鬯影事序坳功彪鬯璐…………………………………………………………………………………．钌５．２控制系统软件设计………………………………………………………………．ｊ…………………………７０５．２．，嚣萨，ｇ绺辔掾…………………………………………………………………………………………．７１５．２．２零遂建髟程序芨铲……………………………………………………………………………………．刀５．２．３反电势法无位置传感器运行程序设计………………………………………………………………．．７４５．３本章小结……………………………………………………………………………………………………．７５

第六章实验结果与分析…………．

６．１实验系统………………………………………………………………………………………………………７７６．２实验结果及分析……………………………………………………………………………………………．７９６．２．Ｊ『彩子初殆岔蓟鳖蒯……………………………………………………………………………………．７９６．２．２转子岔重用环定影……………………………………………………………………………………．８１６．２．３‘饭电势法”无位置传感器运行………………………………………………………………………８２６．３本章小节……………………………………………………………………………………………………．．８６总结与展望……………………………………………………………………………

参考文献……

攻读硕士学位期间发表论文Ｖ

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第一章绪论

摘要：本章简要阐述了无刷直流电机的发展历程、特点和应用领域；介绍了国内外对于无刷直流电机的研究现状以及未来的发展趋势；概述了无刷直流电机的两种控制方法：带位置传感器控制和无位置传感器控制，并在此基础上概述了当前无刷直流电机无位置传感器的各种控制方法，以及无传感器控制中常用的起动技术；最后阐述了课题意义及本文的主要研究内容。

１．１课题研究的背景和意义

传统直流电动机具有效率高、调速性能好等优点，在电气传动领域曾获得广泛应用。但由于传统直流电动机采用电刷和换相器换相，存在机械摩擦，从而产生电火花、噪音、电磁干扰等问题；另外，由于机械换相器的存在，使传统直流电动机的制造相对复杂，成本较高，维护困难。这些问题的存在，限制了传统直流电动机的进一步应用。长期以来，人们一直在寻找既具有传统直流电动机的优点，又具有结构简单、维护方便等特点的非机械换相的直流电动机结构。

早在上世纪３０年代，已经有学者开始研究以电子换相取代机械换相的无刷直流电动机，但由于当时大功率电力电子器件的研究处于初级发展阶段，使这种电动机只能停留在实验室研究阶段，无法推广应用。１９５５年美国Ｄ．Ｈａｒｒｉｓｏｎ等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，宣告现代无刷直流电动机的诞生［２１。１９７８年，原西德ＭＡＮＮＥｓＭＡＮＮ公司在汉诺威贸易博览会上推出了ＭＡＣ方波无刷直流电动机（ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏｒ，简称ＢＬＤＣＭ）及其驱动系统，无刷直流电机才真正进入使用阶段【４】。１９８６年Ｈ．Ｒ．Ｂｏｌｔｏｎ发表了方波无刷直流电动机研究的经典文献，对方波型无刷直流电动机进行了全面系统的总结，它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟。

国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成功方波无刷电动机和正弦波直流无刷电动机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ，简称ＰＭＳＭ）。正弦波型永磁无刷直流电动机的反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号。位置传感器结构较为复杂，成本较高，但其控制方法灵活，转矩波动较小，一般用于伺服控制系统。方波型永磁无刷直流电动机，或者称为方波电动机，其反电势为梯形波，

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供电电流为方波，控制系统对转子位置信号的要求不高，只需获得若干个离散的转子关键位置信号。通常，无刷直流电动机是指方波型永磁无刷直流电动机，在本论文中不做特殊说明的地方均指这类电动机。

无刷直流电动机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好的特点，加上成本较低，应用越来越广泛。文献［５］从机械特性、过载能力、可控性、效率、成本、维护等方面对交流异步电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机作了定性比较。结果表明，无刷直流电动机和其它电动机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高和价格的下降，带来永磁无刷直流电动机成本的降低，这种优越性将更加明显【５１。

由于电力驱动具有节能环保以及方便快捷的优点，各类电动交通工具（包括电动自行车、电动轮椅、电动汽车、电力机车等）得到了越来越广泛的应用。永磁无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）凭借其结构简单、运行效率高、调速性能好以及维护方便等一系列优点，成为电动车领域的主流驱动电机。以电动自行车为例，当交通拥堵、空气污染日益成为困扰现代都市的老大难问题时，电动自行车作为一种环保、便捷、健康的绿色交通工具应运而生。作为一种节能又相对廉价的出行工具，电动自行车是比较适合中国国情、有发展前途的绿色交通工具，自２０００年以来，旺盛的市场需求使得电动自行车在中国获得了高速发展。专家表示，在构建绿色城市交通、满足国内巨大城乡市场需求方面，电动自行车应成为国人出行的重要选项，在中国将具有广阔的发展前景。

传统无刷直流电机驱动系统都需要安装位置传感器以提供换相信号，但位置传感器会增加系统成本、尺寸和维护难度。在电动车领域中采用无位置传感器控制技术不仅可以省去昂贵的位置传感器费用，减小电机尺寸，节省空间，还可以简化电动车系统复杂性，避免传感器故障引起的换相错误，并使装配和维护更加方便。

因此，对无刷直流电动机无位置传感器控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的理论和现实意义。

１．２无刷直流电机控制技术的研究现状与发展趋势

永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，主要由电动机本体、位置传感器、功率逆变器和相关控制策略组成，它的发展与永磁材料、电力电子技术、计算机控制技术和检测技术的发展密切相关。而这些技术作为极具发展潜力的新兴技术，必将在新技术蓬

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勃发展的２１世纪，获得更快、更大的发展，为永磁无刷直流电机技术的高速发展提供不竭的动力。目前，国内外对无刷直流电机的位置检测技术作了比较深入、全面的研究，无刷直流电机的位置检测方式按照有无传感器来划分的话，可以分为带位置传感器检测方式和无位置传感器检测方式，下面将分别介绍这两种位置检测技术。

１．２．１带位置传感器的无刷直流电机控制

带位置传感器的无刷直流电机控制方法的原理是－在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态，保证电机各相按顺序导通，在空间形成旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。

无刷直流电机中常用的位置传感器有电磁式位置传感器（如开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等）、光电式位置传感器（如遮光板）、磁敏式位置传感器（如霍尔位置传感器）等［６１。

（１）电磁式位置传感器

电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。其输出信号较大，一般不需要放大便可以直接驱动开关管，但是它的输出为交流信号，必须先整流才能利用，而且其体积大、笨重、复杂、在无刷直流电机的应用中基本已经被淘汰。

（２）光电式位置传感器：’

光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光敏晶体管等部件组成，其轻便可靠、安装精度高、调整方便，应用较为广泛。

（３）磁敏式位置传感器

磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，基本原理分为霍尔效应和磁阻效应两种。常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。目前应用最为广泛的是霍尔位置传感器。

除了上述三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。但是这些元件成本较高、体积较大、所需要的线路复杂，因而在一般的无刷直流电机控制中很少采用。

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１．２．２无位置传感器的无刷直流电机控制

无刷直流电机无位置传感器控制方法是指不安装转子位置传感器，但是在电机运转过程中，同样需要用于控制电机换相的转子位置信号。因此，无位置传感器控制研究的关键是建立转子位置信号检测电路，通过软硬件措施间接获得可靠的转子位置信号。为此，国内外的研究人员进行了大量的研究工作【６】，提出了很多种位置信号检测方法，其中典型的检测方法主要有：端电压检测法、定子三次谐波法、续流二极管法等。

（１）反电动势过零点检测法【７】

对于稳态运行的电机来说，反电动势过零点检测法是目前技术最成熟、实现最简单、应用最广泛的转子位置检测方法。基本原理：对于永磁结构的电机，反电动势的大小依赖于转子位置。如果可以精确的检测反电动势，就可以得到转子位置，从而控制逆变器的开关动作。对于反电动势为梯形波的无刷直流电机来说，由于在任意时刻只有两相导通，而另一相悬空，因此可以方便的检测出悬空相的反电动势。而悬空相反电动势的过零点，再延时３０。电角度即为换流时刻。

将非导通相端电压与电机中性点电压进行比较可以获得反电动势的过零点。由于中性点电压不能直接获得，在实际的应用中，一般是用等价的中性点与端电压进行比较来获得反电动势过零点。

该方法用三相低通滤波器和电压比较器所组成的电子电路取代了传统的机械位置传感器，实现了转子位置信息的获取。此方法明显的缺点是：电机静止或低速运行时反电动势为零或很小，难以得到有效的转子位置信号，低速性能比较差，需要采用开环方式起动；为保证正确的电流换相需要对相移进行补偿，从而修正位置检测电路造成的相位滞后，提高系统的运行性能。

（２）反电动势积分法【８】

反电动势积分法是反电动势过零检测法的一种改进方法。在检测到非导通相反电动势的过零点后，对该相反电动势进行积分，得到积分值‰。由于在过零点附近，反电动势的瞬时值近似为时间的线性函数，因此，

耶煳Ｅｏ，Ｖｉｎｔ＝－ｆ挚，Ｖｉｎｔ一－－－等

Ｅ为反电动势幅值，ｋ为积分系数，当积分值‰达到阈值％时，即为换相时刻。４

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反电动势积分法一方面可以减小开关噪声，另一方面由于反电动势幅值和速度成比例，积分时间会根据转速自动调整，保持电流和反电动势同相，因而电机可以工作在更高的转速。和反电动势过零点检测方法一样，反电动势积分法在低速时不能正常工作，并且电机不能自起动。

（３）反电动势三次谐波检测法【９】

无刷直流电机的梯形波反电动势包含基波以及其它高次谐波分量。将三相反电动势相加，可以消去基波分量以及五次、七次谐波分量，剩下三次谐波以及其它高次谐波分量。无论转速以及负载的情况，三次谐波分量和转子磁通都保持一个固定的相位关系，并且不受逆变器开关噪声的影响，因此是一种可靠的检测方法。

三次谐波频率是基波频率的三倍，因此相对于一般的反电动势检测方法，反电动势三次谐波检测方法可以检测更低的转速；电机起动也相对容易；三次谐波法只需要一个很小的滤波器就可以，因而相比反电动势过零点检测法，受滤波延迟的影响较小，可以在更宽的调速范围内，具有很好的性能。

（４）通过续流二极管间接检测反电动势

在三相星型六状态的无刷直流电机中，当采用斩波方式对电机进行控制时，非导通相的反电动势将使得续流二极管中有电流流过，且续流二极管在两次换相的中点时刻开始导通或者停止导通，这恰好是非导通相反电动势的过零点。因此，可以通过检测非导通相的续流二极管是否导通间接的检测反电动势的过零点。这种检测方法比直接检测反电动势过零点要精确，因而可以在一个很宽的转速范围内有效，包括很低的转速，但不能为零。由于可以在很低的转速时工作，因此这种方法也使得电机起动要比其它方法简单。这种方法最大的缺点是必须提供六个用于比较电路的隔离电源。

（５）磁链估计法ｆｌｏ】

该方法的原理是：测量定子电压和电流，估算出磁链，再根据磁链与转子位置的关系估计出转子的位置。Ｅｒｔｕｇｒｕｌ．Ｎ【１０１等人所介绍的算法均是直接对电机在ａｂｅ坐标系下的模型分析，将微分方程转化为差分方程，用前三步的位置估计值来预测下一步的位置。在每个估算周期对线电流估计两次，一次用于校正位置值，一次用于校正磁链值。因此这种方法有较高的准确度，对测量误差和参数变化也不很敏感。也可以对具体的某台电机先测出其磁链．电流．位置特性对照表，再根据估计的磁链和测出的电流查表得出转子位置值，这样运算量将会大大减少。

（６）卡尔曼滤波法［！ｉ－１３】Ｓ

无传感器电机控制是利用可检测的电压和电流信号对转子位置和速度进行估计。卡尔曼滤波器由于能够有效地抑制电机控制中遇到的噪声，因此在电机控制中得到了广泛应用。文献【１１】采用较先进的浮点ＤＳＰ，其电机动态模型是在“无穷大惯量”的假设条件下得到的，故与机械参数（含负载转矩）无关，使参数敏感性问题得到解决。另外把初始状态看作高斯型随机向量，均值为零向量，初始值也和以后的状态无关。该系统能在１０％的额定转速以上与期望值基本一致。

卡尔曼滤波的模型建立在变量之间的矩阵运算之上，即变量之间存在线性组合的关系。无刷直流电机是一个非线性系统，这样的变量间线性组合关系并不存在，由此引入了扩展卡尔曼滤波算法（ＥＫＥ，ＥｘｔｅｎｄｅｄＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｓ）。ＥＫＦ适用于被随机噪声干扰的非线性系统，其基本思想和普通卡尔曼滤波一样，只是把模型中的非线性组合关系用函数的泰勒级数展开来逼近，使非线性系统变量之间也可以进行矩阵运算‘１３】。

（７）定子绕组电感法

由于定子存在铁心磁饱和现象，所以靠近磁极的定子绕组按照顺磁方向电流的变化率大于逆磁方向的电流变化率。在转子的不同位置，通过ＰＷＭ变换器给定子绕组在固定的时间内加恒定的电压矢量，则流过定子绕组的电流值不同，通过比较其电流值的大小可以确定转子磁极的位置。电机起动时，把一对大小相同、方向相反的电压矢量采样时间ＴＳ分别加在对应相定子绕组上，通过对主电路中直流环的电流值采样、保存、比较后得出结果。这里，电压矢量加在对应相绕组上的最优导通时间Ｔｓ是一个至关重要的参数。一方面将影响定子绕组电流值，另一方面它可能使转子转动，影响位置检测。确定Ｔｓ的原则就是，在确保转子停转的前提下，尽可能增大电压矢量对电流的差值。

（８）涡流效应检测法【１４】

Ｔｏｍｉｔａ等人在永磁转子表面粘贴一些非磁性的导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置角而变化，从而通过检测开路相电压来判断转子位置。这种方法不依靠反电势，能保证电机的顺利起动和可靠运行，但是电机的结构有所改变，对电机的制造工艺有很大要求。

（９）电流法【１５１

Ｌｉｎ等人【１５１设计了检测电机定子相电流波形来判断转子位置的相电流检测电路，与霍尔信号进行对比，发现在６９６－－３１７４ｒ／ｍｉｎ范围内该检测电路都能很好地工作。电机的磁动势和定子电流应该同相位，当有相位差时会引起电流畸变。Ｊｏｈｎｓｏｎ［１６］等人通过检测非凸极表面的滞环电流波形的上升和下降时间来确定转子的相对位置，称为同步偏差检测、６

校正技术。Ｋａｓａ［１７】提出了一种电流注ＡＹｅ：在定子绕组中注入微弱的高频交流信号，通过一系列运算，估算出转子的位置。该方法对凸极电机或有一定电感变化的电机适用，不仅在正常运转时可用，低速和静止时也有效。

（１０）与速度无关的位置函数法【１８】

Ｔａｅ．Ｈｙｕｎｇ．Ｋｉｍ提出了这种与速度无关的位置函数法，它实现了电机从零转速到高转速的控制。这个方法采用一个函数来检测电流和计算电压，这个函数能估算出换向瞬间从接近于零（额定转速的ｌ％）到高速之间的任一值。由于电机以任何转速运行时该函数的表达形式都是一样的，所以在电机的稳态和暂态都能得到一个精确的换向脉冲。这种方法不需要依赖于反电动势，因此也不需要用到检测端电压的附加硬件电路。

（１１）采用智能控制检测法【１蛇ｏ】

近年来，各种智能控制方法得到很大的发展。这类方法利用模糊控制【１７】或神经网络控制【１８】来建立相电压、电流和转子位置之间的相互关系，基于检测到的电压和电流信号来估算出转子位置信息。可以直接检测电机相电压和相电流，通过神经网络的训练后估计出磁链向量，从而获得转子磁极位置。目前的发展趋势是如何将多种智能控制方法有机的结合起来，充分发挥各自优势，更好的来控制无刷直流电机。

随着控制理论的不断发展，智能控制在无位置传感器控制中的应用己经成为一种新趋势。许多现代控制理论如ＰＩＤ控制、矢量控制、模糊算法、神经元网络和专家系统等，均被用于无刷直流电机的控制。其中，经典ＰＩＤ控制与模糊控制相结合的Ｆｕｚｚｙ．ＰＩＤ控制，人工神经网络和模糊控制相结合的复合控制，以及遗传算法和模糊控制相结合的控制方法代表着当前智能控制的研究方向。智能控制是控制理论发展的高级阶段，其最大特点是自学习、自适应、自组织等功能，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题等比较复杂的问题。无刷直流电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，利用智能控制方法可以建立被测相电压、电流和转子位置的相互关系，获取转子位置信号。

很显然，这些方法在理论上还需要进一步研究，技术上实现还有一定困难。然而，随着微处理器和数字信号处理器技术的发展和控制理论的不断成熟，智能控制方法必将会进一步推动无刷直流电机控制技术的发展。

１．２．３两种控制方法的比较无刷直流电机运行时需要转子位置信号，以控制逆变器功率管的换流，从而实现电机

的连续运行。有位置传感器无刷直流电机控制是通过位置传感器检测转子位置，保证各相绕组的正确换流。相对而言，其控制方法和控制电路都很简单，控制系统成本低，所以运用比较广泛，如电动自行车和变频洗衣机。然而，这种方法有其自身不可避免的许多缺点：

（１）电机体积增加。电机安装位置传感器后，结构变得复杂，相应的体积也变大，不利于电机的小型化。而且位置传感器难于安装在电机内部很有限的空间里，维修也比较困难。

（２）电机成本增加。一般而言，方波型无刷直流电机常用的位置传感器是霍尔元件，其成本相对于电机本体来说所占比例比较大。对于正弦波型无刷直流电机，多采用旋转变压器或光电码盘等做传感器，其成本会更高。

（３）系统可靠性变差。一台三相方波电机若采用霍尔元件做传感器，至少增加五根连线，采用其它传感器时连接线更多。过多的接线会造成系统的可靠性变差，且维修困难。

（４）信号易受到干扰。传感器的输出信号都是弱电信号，在高温、冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境以及振动、高速运行等工作条件下，都会降低传感器的可靠性。若传感器损坏，还可能有连锁反应引起逆变器等器件的损坏。

（５）传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增加了生产工艺的难度。由此可见，虽然有位置传感器的驱动方式简单、方便，但一定程度上限制了无刷直流电机的推广和应用，相对而言无位置传感器方式在控制上有比较大的优势。因此，无刷直流电机的无位置传感器控制近年来逐渐成为研究的热点，同时也必将会越来越朝着实用化的方向发展。

电动车用于在户外行驶，其工作环境比较恶劣，温度、粉尘都可能对位置传感器有所影响，无位置传感器无刷直流电机能满足电动车各种工作场合的需要。相比传统的有霍尔传感器的控制器而言，该项技术有以下几个方面的优点：

（１）省去了电机内部容易损坏的霍尔传感器

目前的电动自行车直流无刷电机内部安装有霍尔位置传感器，用来检测电机的转子位置，控制系统根据传感器提供的转子位置信号来控制电机的运转，霍尔位置传感器怕高温、怕静电、接错线会损坏、霍尔元件安装工艺复杂，霍尔位置传感器损坏后电机就得返修等诸多问题阻碍了无刷电机的发展，而无位置传感器直流无刷电机控制器则无上述问题。

（２）减少了电机及控制系统的引线数量

由于无刷直流电机内部安装有位置传感器，使三相无刷电机的引出线最少也要八根，而无位置传感器只要三根引出线就行了。Ｒ

（３）提高电机及控制系统可靠性

由于省去了电机内的转子位置传感器，使电机与控制系统的连接线由至少八根一下子减少到了三根，同时接插件也相应减少，这样就大大提高了电机及控制系统的工作可靠性，又由于没有了电机内部的位置传感器，使电机可工作于高温、潮湿等各种恶劣环境下，扩大了无刷直流电机的应用范围。

（４）降低电机生产成本，简化生产工艺，缩短电机开发周期

由于省去了电机内部的霍尔位置传感器，有效地降低了电机生产成本，因霍尔传感器损坏而产生的返修费用更是无法估算，取消掉霍尔位置传感器简化了生产工艺，设计时也不用考虑位置传感器，缩短了电机开发周期，生产效益明显得到了提高，电机的维护成本大幅降低。

（５）提高了电机的工作效率

本技术是通过电机在转动时电机线圈产生的反电动势来检测转子的位置，因此做到了转子位置的精确检测与控制，消除了由于位置传感器的位置误差，同时也消除了传感器一致性不好所导致的转子位置检测误差，提高了电机的工作效率。

（６）提高整车的质量

由于控制器与无刷电机之间只有三根主相线连接，方便了整车的接线，因位置传感器接插件氧化后接触不良使无刷控制器损坏的现象已不再发生，整车质量大大提高。

在电动车领域中采用无刷直流电机的无位置传感器控制技术不仅可以省去昂贵的位置传感器费用，减小电机尺寸，节省空间，还可以降低电动车系统复杂性，避免传感器故障引起的换相错误，并使装配和维护更加方便。反电动势法是无传感器转子位置检测法中应用最广泛也是最成熟的方法之一。本文采用了反电势过零点检测法实现了无刷直流电机的无位置传感器控制，实验结果表明，该方法实现简单、稳定可靠，有一定的实用推广价值。

１．３本文主要内容和结构安排

本课题的主要研究内容是设计出一套适用于电动车应用场合的无刷直流电机无位置传感器控制方法，采用“反电势过零法”和“电感法”相结合的方案，在原理分析的基础上进行电路设计，设计了实验系统和产品化的电动车用无霍尔控制器，完成系统的调试运行，验证了方案的可行性。本文在全面总结现有研究成果的基础上，针对目前研究的热点９

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