無位置傳感器的無刷直流電機的位置估計方法可以從5個方面來論述：反電動勢法、電流法、狀態(tài)觀測器法、人工智能法和磁鏈法。這幾種方法的研究相對比較成熟，且都已得到一定程度的應(yīng)用。CW32生態(tài)社區(qū)在方波控制的相關(guān)應(yīng)用和Demo中多使用反電動勢法，因此，重點講述反電動勢轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)。

一、反電動勢法

無刷直流電機中，受定子繞組產(chǎn)生的合成磁場的作用，轉(zhuǎn)子沿著一定的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。電機定子上放有電樞繞組，因此，轉(zhuǎn)子一旦旋轉(zhuǎn)，就會在空間形成導(dǎo)體切割磁力線的情況，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，導(dǎo)體切割磁力線會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。所以，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時候就會在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，即運動電勢，一般稱為反電動勢或反電勢。

對于稀土永磁無刷直流電機，其氣隙磁場波形可以為方波，也可以是梯形波或正弦波，與永磁體形狀、電機磁路結(jié)構(gòu)和磁鋼充磁等有關(guān)，由此把無刷直流電機分為方波電機和正弦波電機。對于徑向充磁結(jié)構(gòu)，稀土永磁體直接面對均勻氣隙，由于稀土永磁體的取向性好，所以可以方便地獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場，對于方波氣隙磁場的電機，當(dāng)定子繞組采用集中整距繞組，即每極每相槽數(shù)q＝1 時，方波磁場在定子繞組中感應(yīng)的電勢為梯形波，如圖1 所示。

圖1方波氣隙磁場與梯形波反電勢

對于兩相導(dǎo)通星形連接、三相六狀態(tài)控制的無刷直流電機，方波氣隙磁密在空間的寬度應(yīng)大于120°電角度，在定子繞組中感應(yīng)的梯形波反電勢的平頂寬也應(yīng)大于 120°電角度。方波無刷直流電機一般采用方波電流驅(qū)動，即與 120°導(dǎo)通型逆變器相匹配，由逆變器向方波電機提供三相對稱的、寬度為 120°電角度的方波電流。方波電流應(yīng)與反電勢相位一致或位于梯形波反電勢的平頂寬度范圍內(nèi)，這樣才滿足“最佳換相邏輯”[10]。

當(dāng)BLDCM 的某相繞組反電勢過零時，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線恰好重合，因此只要檢測到各相繞組反電勢的過零點，就可獲知轉(zhuǎn)子的若干個關(guān)鍵位置，再根據(jù)這些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子位置信號，做相應(yīng)的處理后控制 BLDCM 換相，實現(xiàn) BLDCM 連續(xù)運轉(zhuǎn)，這就是“反電勢法”BLDCM 控制。

從圖1中可以看出wt=30°電角度為A相反電勢過零點時刻，控制電路檢測到這一時刻，延時30°電角度，到60°電角度時切換到A相導(dǎo)通，A相導(dǎo)通120°電角度后，到 180°電角度時關(guān)斷A相，切換到B相導(dǎo)通。依此類推，就可以實現(xiàn)電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)，并且滿足“最佳換相邏輯”。

無刷直流電機繞組反電勢的過零點嚴(yán)格的反映轉(zhuǎn)子磁極位置，因此，只要能夠準(zhǔn)確的檢測到繞組反電勢的過零點信號，就可以判斷出轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵位置，經(jīng)過30電角度延時處理后，就可以作為繞組的換相時刻，再根據(jù)功率管的導(dǎo)通順序觸發(fā)相應(yīng)的功率管，就能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機的換相操作，保證電機按固定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這樣可以保證電機換相滿足“最佳換相邏輯”，減小轉(zhuǎn)矩脈動。無感反電勢電機運行的具體實現(xiàn)方法詳見社區(qū)開源案例。

為了確定電機轉(zhuǎn)速和反電勢大小的關(guān)系，同時為無位置傳感器電機的“三段式”起動技術(shù)提供理論依據(jù)，這里來推導(dǎo) BLDCM 反電勢的計算公式，分析無刷直流電機的反電勢特性。

為了便于分析，公式推導(dǎo)過程中忽略開關(guān)管動作的過渡過程和電樞繞組的電感。單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)的電勢為：

無刷直流電機的反電勢計算公式和一般直流電機相同，反電勢大小與每極磁通量及轉(zhuǎn)速有關(guān)。如保持每極磁通量不變，無刷直流電機的反電勢便和轉(zhuǎn)速成正比；反之，如保持轉(zhuǎn)速不變，無刷直流電機的反電勢將和每極磁通量成正比。從公式（8）中也可以看出，當(dāng)電機靜止或轉(zhuǎn)速很低時，反電勢為零或很小，無法利用繞組反電勢獲得轉(zhuǎn)子位置信號，電機無法自起動。因此“反電勢法”無刷直流電機控制必須采用其他方法來使電機起動，這將在后面章節(jié)中作詳細介紹。

二、其它檢測方法

電流法

直接反電動勢法是通過測量三相繞組的端點電位及與中性點間的電壓來實現(xiàn)的，當(dāng)某端點電位與中性點電位相等時，則認為此刻該相反電動勢過零，再延時30個電角度去觸發(fā)功率開關(guān)管進行換向。

由于端電壓檢測受速度變化、電機換向、低通濾波以及定子電阻電感存在的干擾，使得依賴端電壓的測量來估算轉(zhuǎn)子位置信號的準(zhǔn)確性和精確性都受到不同程度的影響。而這些因素對電流的影響相對較小。與之對應(yīng)出現(xiàn)了根據(jù)電機相電流信號來估計轉(zhuǎn)子位置信息，進而控制無刷直流電機的換向方法，如直接電流檢測法、電流變化率檢測法和續(xù)流二級管法等。這種控制方法的精確性受處理器速度和功率管開關(guān)頻率的限制，容易造成電流和反電動勢不同相位運行，導(dǎo)致電機故障。

狀態(tài)觀測器法

用卡爾曼濾波器估計轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度的方法最早是由M.Schroedl于1988年提出的。根據(jù)卡爾曼狀態(tài)方程，應(yīng)用電機測量電壓和測量電流就可得到轉(zhuǎn)子位置的初步估測。根據(jù)這種方法來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度時，其運行范圍主要受電壓、電流傳感器的測量精度來確定。

人工智能方法

人工智能技術(shù)具備一定的智能行為，能夠產(chǎn)生合適的求解問題的響應(yīng)。隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展和研究的深入，很多學(xué)者已經(jīng)嘗試著將人工智能的方法應(yīng)用于電機控制中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能控制的一個方向，它具有很強的自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力，因此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無刷直流電機控制中進行轉(zhuǎn)速估算和位置估算是很自然的一步。用這種方法預(yù)測轉(zhuǎn)子位置時，運行范圍主要受電壓和電流的檢測精度影響。

磁鏈法

通過建立不依賴于轉(zhuǎn)子速度但是和轉(zhuǎn)子磁鏈直接相關(guān)的磁鏈函數(shù)來獲得轉(zhuǎn)子位置的信號。該函數(shù)在每個周期內(nèi)對應(yīng)6個峰值，通過檢測峰值來獲得轉(zhuǎn)子的換相信號，可保證電機在 470～35000r/min范圍內(nèi)有效運行。類似的檢測轉(zhuǎn)子位置的方法，如在永磁轉(zhuǎn)子的表面粘貼一些非磁性材料，利用定子繞組高頻開關(guān)工作時非磁性材料的渦流效應(yīng)，使開路相電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置角發(fā)生變化，從而可通過檢測開路相電壓來判斷轉(zhuǎn)子位置。這種方法完全排除了使用反電勢，因而能保證起動和低速運行時可靠地工作。