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无刷直流电机无位置传感器控制方法综述
所谓的无位置传感器控制，正确的理解应该是无机械的位置传感器控制。在电机运转的过程中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以，目前永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一转子位置信号检测线路，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。
1. 反电势过零点法（端电压法）：基于反电动势过零点的转子位置检测方法是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下。通过检测断开相反电动势过零点。依次得到转子的六个关键位置信号。但是存在如下缺点：反电动势正比于转速，低速时不能通过检测端电压来获得换相信息故这种方法严重影响了电机的调速范围。使电机起动困难；续流二极管导通引起的电压脉冲可能覆盖反电动势信号。尤其是在高速、重载、或者绕组电气时间常数很大等情况下，续流二极管导通角度很大，可能使得反电动势法无法检测。
反电势过零检测法的改进策略：针对以上缺点,利用神经网络的非线性任意逼近特性, 提出一种基于神经元网络的电机相位补偿控制。首先由硬件电路获得有效的反电动势信息, 再利用BP 神经网络进行正确相位补偿, 实现无刷直流电机的无位置传感器控制, 获得了较好的效果[1]。还有一种采用人工神经元网络的永磁无刷直流电机反电势预测新方法, 采用神经元网络方法对永磁无刷直流电动机反电势波形准确预测的结果进一步用于电机动、静态特性的仿真或预测, 这将比假设电机反电势波形为理想正弦波或梯形波所进行的仿真更接近电机的实际运行结果。较之传统的路和场的计算方法, 达到了快速性和准确性的统一, 且由于神经元网络的自学习神经元网络成功训练后, 就可以用以预测所研究类型的永磁无刷直流电机的反电势波形[2]。
直接检测法，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检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[3]。
2. 电感法：凸极永磁电机中定子绕组电感随转子位置的变化而有较大改变，基于电感的位置检测方案正是利用定子电感与转子位置、相电流间的函数关系来估计转子位置的。该方法的显著优点在于反电动势很小或者为零的低速和静止情况下，都具有很好的可靠性。缺点是该方案只能用于凸极电机中，且电机电流的变化率主要由反电动势决定,。因此通过电流和电流变化得到的位置信息会产生无法忽略的误差。
3. 续流二极管法：续流二极管法又称第三相导通法, 当逆变器采用PWM _ ON 调制方式时, 忽略逆变器可控器件及二极管的导通压降, 检测在反电动势过零点附近关断相续流二极管的导通与关断状态可实现反电动势过零点的间接检测, 并确定转子位置。该方法适用于120度导通模式方波驱动的永磁无刷直流电机。为使反电动势过零点之后在关断相出现反电动势电流, 要求逆变器采用PWM _ ON 调制方式, 这会增加控制难度。因续流二极管的导通压降很小，该方法能够在一定程度上拓宽电机低速调速范围。但其本质上还是反电势法，不信具有反电动势过零点法的缺点，还存在如下缺点：需要从众多的二级管导通状态中识别出在反电势过零点附近的导通状态，实现起来十分复杂；逆变器可控器件及二极管的导通压降会造成位置检测误差。尤其是当反电势系数很小或者转速很低时，逆变器可控器件、二极管的导通压降和反电动势相比不能忽略，因忽略造成的误差应有一定的相位补偿。
4. 反电动势积分法：反电动势积分法是在关断相反电动势过零点开始对其进行积分，将积分结果与一个参考电压进行比较，以此来确定换相时刻。积分结果与反电势波形有关，但与电机速度无关，可以实现超前换相，但超前角度必须在30度以内。与过零点法相比，该方法不需要深度滤波。但是存在如下
缺点：续流二极管导通引起的电压脉冲可能覆盖反电动势信号，致使无位置传感器控制失败。驱动高速电机是，换相过程中续流二极管导通引起的脉冲信号会造成严重的换相滞后，从而恶化电机的运行性能。此外，积分引起的误差累积也会恶化系统低速运行性能。
5. 三次谐波检测法：对于反电动势为梯形的方波电机, 它的反电势除了基波外, 还有丰富的高次谐波分量, 可以通过反电势中的三次谐波来检测转子的位置。该方法只适用于Y 型连续的方波电机。通过对电枢三相相电压的简单叠加, 反电动势的基波分量和其它高次谐波分量由于相位互差120度而相互抵消, 只有3次谐波及其奇数倍谐波由于同相而叠加, 可以从中提取反电动势的3次谐波分量, 以检测转子的位置, 这个信号的提取需要电机的中性线, 以便3 次谐波信号形成回路。
6. 状态观测器法：状态观测器法即转子位置计算法，是将电机三相电压、电流作坐标变换, 在派克方程的基础上估算出电机转子位置的一种方法，其基本思想是利用电机数学模型，由实际系统的测量输入量求出估计量。在数学模型准确的前提下，电机模型的状态将跟踪实际电机的状态，用实际电机输出与模型输出间的偏差对估计状态进行校正。为了克服参数变化对观测器性能的影响，需引入在线参数估计。
7. 磁链函数法：反电势法及其改进方法虽然一定程度上能够实现对电机绕组换相的控制，但是由于其本质上还是对反电势及其变换量的检测，而反电势与转速有关，在低速时这些方法都不能够很好地满足要求。针对这一问题，有很多的研究都提到了一种新的方法: 磁链函数法。这种方法的主要思想是: 构造了一个与磁链有关的函数来描述转子位置，利用测量定子电压和电流而估算出磁链，再根据磁链与转子位置的关系估计出转子的位置。写出相电压方程，将相电压写作相电流、电阻、自感、互感、转子位置以及磁链的函数。磁链函数为转子永磁体上产生的磁链，是转子位置的函数。忽略电流饱和以及漏感，忽略铁耗，将磁链写成与电流、电感与磁链函数有关的量。利用三
相绕组自感互感相等以及三相电流之和为零推导出线电压表达式。该表达式是电阻、电流、自感、互感以及线磁链函数的函数。线磁链函数是两项磁链函数之差。将线磁链函数的微分定义为线函数，从线电压的表达式里推出线函数的表达式。该函数里面还有转速量ω。为消去转速ω，进一步变换，将两项线函数之比定义为估计函数。估计函数与转速无关，它仅仅是转子位置θ 的函数。利用这个函数值去估计转子位置，从而实现定子换相。通过这个与速度无关的位置函数的应用，速度从近零点( 额定速的1. 5%) 到高速的换向瞬间都能够估计出来。因为位置函数的形式在整个速度范围内都是一样的，所以在瞬态和稳态时都能够提供精确的换向脉冲。与反电势法相比，它在电机低速的情况下运行性能更好，同时不需要检测定子电势，减小了电路的复杂性，降低了成本。该方法虽然不需要硬件电路的检测，但是需要控制器对各个参数进行实时运算来控制换相，这对控制器的处理能力有较高的要求，有可能因为运算时间过长而影响换相，同时也增加了软件的难度。另外由于电机内部结构的非线性以及在电机运行时间长时由于温度引起的参数变化都会使得估计出现误差。
目前最常用的无位置传感器控制方法仍然是反电动势法，它控制较简单，稳定性好。但该方法存在起动时无法准确检测反电势的问题。针对这一问题，许多文献也纷纷提出了解决方法。
软件方法实现的预定位起动法，这种方法首先由程序控制给定任意两相定子绕组通电一段时间，这样定子内形成的电磁力矩就会将转子拖到指定的位置，然后由程序给绕组导通顺序，使电机顺利起动，期间程序不进行反电势的过零检测，换相不收反电势检测信号的控制，换相时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔不变，是一种恒频升压的起动方式，但该方法对切换时间要求比较严格，一般只适合空载[4]；
“三段式”起动方法，首先将转子进行预定位，然后让电机工作在外同步状况下，待电机转速升高到一定值后，切换到反电势法控制，之后电机运行在自同步阶段，这个过程称为三段式起动技术, 包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。但该方法受负载和外施电压等条件影响较大[5]；