为了实现无刷直流电机的无位置传感器控制，提出了一种新颖的转子位置信号检测方法，该方法通过比较逆变器直流环中点电压和电机断开相绕组端电压的关系，直接检测到断开相绕组反电动势的过零点，再将该过零点延迟30°电角度即可获得无刷直流电机绕组换相所必须的转子位置信号。实验证明，当电机运行在低速时该挂测方法可以良好地工作，因此应用此检测方法构成的无刷直流电机无位置传感器控制系统可以运行在很宽的速度范围内。文中对该检测方法的原理进行了分析，得到了检测电路的结构图并通过实验验证了该方法的正确性和可行性。
关键词：无刷直流电机；反电动势；过零点；转子位置检测

    无刷直流电机具有体积小、功率密度高、控制简单、动态性能好等优点，因此应用也越来越广泛。但无刷直流电机需要一套位置传感器来控制其绕组换相，这给电机的可靠性、成本以及制造工艺要求等带来了不利的影响。因此无刷直流电机的无位置传感器控制成了目前研究的热点，其中如何简单准确地检测无刷直流电机的转子位置信号是实现无位置传感器控制的关键，很多学者对此进行了研究。
    在各类方法中，反电动势过零点检测方法原理简单，容易实现，是目前应用最多的转子位置信号检测方法。文提出的通过检测断开相绕组端电压来间接获得反电动势过零点的方法需要重构电机中性点，由于重构的中性点电压里包含了大量的开关噪
声，必须对检测信号进行滤波，这会导致检测信号与实际反电动势过零点间的相移；文对文提出的方法进行了改进，但仍然需要重构电机的中性点；文通过使用特殊的脉冲宽度调制(PWM)方法使断开相绕组也产生导通现象，并通过检测该导通现象来间接获得反电动势过零点，但该方法会引起负向的转矩脉动而且需要6个独立的电源供电，大大增加了检测电路的成本；文提出的直接检测反电动势过零点的方法使用半桥调制方式，这种调制方式也会引起负向的转矩脉动，而且该检测电路只能在PWM关断期间起作用，这使得PWM的占空比必须被限制在一定范围内。
    本文提出了一种新颖的转子位置信号检测方法，该方法无需重构电机中性点，不受开关噪声影响，因此也不必使用滤波电路。使用全桥调制方式，不会引入负向转矩脉动，且可以工作在任意的PWM占空比下。实验证明使用该检测方法可以在很宽的速度范围内检测到断开相绕组反电动势的过零点，从而得到转子位置信号。该方法硬件实现简单，可以直接使用驱动电路的电源进行供电，具有很强的实用性。

1 无刷直流电机控制系统
    普通的无刷直流电机采用三相逆变器供电，其绕组具有梯形波反电动势和方波电流，每相绕组通电120°电角度，如图1所示。为了使无刷直流电机在单位电流内能够输出最大的转矩，必须使各相绕组反电动势和相电流保持相位一致。无刷直流电机
在正常导通期间只有两相绕组通电，另外一相绕组断开，因为断开相绕组中没有电流流过，因此其端电压反映了该相绕组反电动势的大小，而反电动势的过零点领先该相绕组换相信号30°电角度。

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    用本文提出的转子位置信号检测方法构成的无刷直流电机无位置传感器控制系统框图如图2所示，反电动势过零点检测电路在一个周期内将得到的6个过零点信号输入到数字信号处理器(DSP)，通过软件延时30°电角度后产生绕组换相信号，为了简化系统结构，基于PWM的电流控制器和换相逻辑算法也由软件实现。

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2 新颖的转子位置信号检测方法
    本文提出的转子位置信号检测方法主要包括两个步骤：首先直接将逆变器直流环中点电压与断开相绕组端电压进行比较，得到断开相绕组的反电动势过零点信号，其电路结构如图3所示；然后再通过DSP将检测得到的过零点信号延时30°电角度、从而得到无刷直流电机无位置传感器控制必须的绕组换相信号。
    图3中，T3管和T4管同时进行PWM调制，即全桥调制方式，A、B两相绕组通电，C相绕组断开。此时C相绕组端电压Uc的电位始终在Udc和0之间，与T2和T5反并联的二极管不会产生导通现象，从而消除了断开相绕组的导通现象。R1和R2阻值相等，故Um=Udc／2。

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    同理，当T3、T4管关断，二极管D1、D6续流时，根据回路2可以得到相同的结果，即C相绕组端电压的表达式仍为式(5)，所以无论PWM处于导通状态还是关断状态，C相绕组端电压Uc的表达式不变，即Uc都能反映该相绕组反电动势的信息;而且该表达式中不含开关管导通压降和续流二极管导通压降，不受开关噪声的影咆，因此也无需增加滤波电路。
    以T3、T4管导通为例来分析该检测电路的工作过程，此时电流从B相绕组流进，从A相绕组流出，C相绕组处于断开状态，其反电动势ec从-E逐渐增加到E。当ec<0时,Uc=Udc/2+ec<Um=Udc／2，Uo输出高电平；当ec>O时，U=Udc／2+ec>Un=Udc／2，Uo则输出低电平，比较器输出信号Uo的跳变代表了断开相绕组反电动势的过零点，用该检测电路得到的实验波形如图4所示。由实验波形可以看出，本文设计的反电动势过零点检测电路能够良好的工作，每一相检测电路在一个周期内给出两个跳变信号，这样通过延时即可得到该相绕组的两个换相信号。但当电机绕组换相时，由于三相绕组同时导通，电机中性点电压Un发生了突变，导致断开相绕组端电压的值Uc也发生变化，从而引起了反电动势过零点检测电路的误动作。

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    由于每一相的反电动势过零点检测电路都受到绕组换相的影响，本文设计了一套逻辑触发电路对检测电路的输出信号Uo进行处理，其电路结构如图5所示。

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    反电动势过零点检测电路在任意时刻都将各相绕组端电压与逆变器中点电压进行比较并输出相应的跳变信号，而在正常导通时刻只有断开相绕组的端电压反映该相绕组的反电动势信息，本文使用模拟开关CD4051对三相检测电路的输出信号进行选择，即每60°电角度内只将断开相绕组反电动势过零点检测电路的输出送入到后级D触发器74LS74中，CD405l的控制信号CS1、CS2、CS3由DSP的I／O口提供，非常容易实现。可编程逻辑器件GAL主要实现两个功能，第一个功能是当上一个换相信号到来后延时一段时间再使能D触发器，这样可以滤除换相期间电机中性点电压突变造成的检测电路误动作。本系统延时时间为400μs，对不同的系统这个延时时间可以通过R8和C1进行调整，使之在滤除检测电路误动作信号的同时不影响下一个反电动势过零点的检测；GAL的第二个功能是将开关管的控制信号PWM1、PWM2、PWM3作为后级D触发器的时钟信号，从而达到通过D触发器对反电动势过零点检测信号进行锁存的目的，由于D触发器每一个开关周期动作一次，所以并不会造成检测电路输出信号的丢失。

3 实验结果
    为了验证本文提出的反电动势过零点检测方法的有效性，在一台4 kW、2对极的无刷直流电机上做了相应的实验，实验证明该检测电路可以工作在很宽的速度范围内。不同转速下检测电路的实验波形如图6所示。l通道为A相绕组电流波形，2通道为图5中输出信号Up的波形。

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    文提出的直接反电动势过零点检测方法只能够在PWM关断期间进行检测，这样当PWM占空比很大时，其检测电路将会失去作用，从而导致电机运行不正常。本文设计的反电动势过零点检测电路在PWM导通和关断期间都能工作，图7给出了当PWM占空比为98％时的实验结果。1通道为A相绕组电流波形，2通道为图5中输出信号Up的波形。

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    由于检测电路输出的反电动势过零点信号领先换相信号30°电角度，因此在实际应用中需要将检测到的过零点信号延迟30°电角度作为无刷直流电机的换相信号，该工作由DSP来完成。经过延时得到的实验结果如图8所示。1通道为A相绕组电流波形，2通道为经过DSP延时后得到的信号Udelay。

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    由图8可以看出，延迟30°电角度之后得到的信号Udelay与无刷直流电机的换相时刻基本吻合。因此通过使用本文提出的转子位置信号检测方法可以准确得到无刷直流电机的绕组换相信号，从而构成无位置传感器控制系统。

4 结  论
    本文提出了一种新颖的无刷直流电机转子位置信号检测方法，该方法不需重构电机中性点，简化了位置信号检测电路；对开关噪声不敏感，所以也不必对检测信号进行滤波，这样就消除了滤波电路带来的相移，得到的换相信号也就更加准确；应用本文提出的位置检测方法也无需使用特殊的PWM调制方式，消除了断开相绕组的导通现象，因此也不会产生附加的负向转矩。本文提出的检测方法不仅能在开关管导通时刻进行检测，也能在开关管关断时进行检测，即不受PWM占空比的限制。实验证明，该转子位置信号检测方法可以在很宽的速度范围内良好地工作，整个检测电路结构简单，具有很强的实用性.