基于线电压差值反电动势过零检测的无传感器无刷直流电机驱动研究

一、 作者、机构与发表信息 本研究的主要作者是P. Damodharan与Krishna Vasudevan。P. Damodharan来自印度信息技术、设计与制造学院（Indian Institute of Information Technology, Design and Manufacturing, Kancheepuram）电气工程系；Krishna Vasudevan（IEEE会员）来自印度马德拉斯理工学院（Indian Institute of Technology Madras）电气工程系。该项研究成果以论文形式发表于国际电气与电子工程师协会（IEEE）的期刊《IEEE Transactions on Energy Conversion》第25卷第3期，出版时间为2010年9月。论文标题为《Sensorless Brushless DC Motor Drive Based on the Zero-Crossing Detection of Back Electromotive Force (EMF) From the Line Voltage Difference》。

二、 学术背景与研究目标 本研究属于电机驱动与控制领域，具体聚焦于永磁无刷直流（Brushless DC, BLDC）电机的无传感器（Sensorless）控制技术。永磁无刷直流电机因其高效率和功率密度，在工业自动化和家用电器中得到广泛应用。传统BLDC电机的换相依赖于安装在电机内部的霍尔传感器来提供转子位置信息。然而，霍尔传感器存在增加成本、需要特殊机械安装、对温度敏感、降低系统可靠性等缺点，且在恶劣环境中无法可靠工作。因此，无传感器控制技术成为了一个重要研究方向。

在本文发表之前，已有多种无传感器控制方法被提出，主要包括：基于反电动势（Back EMF）检测的方法、检测未导通相续流二极管导通状态的方法、反电动势积分法、检测定子三次谐波电压法等。其中，基于反电动势过零检测的方法较为常见，但传统方法通常需要获取电机中性点电压，或者需要对端电压进行滤波处理。使用中性点电压存在电位不稳定（尤其在脉宽调制（PWM）开关期间）的问题；而使用低通滤波器则会在信号中引入延迟，且延迟时间随转速变化，导致方法仅适用于狭窄的速度范围。其他一些方法，如基于电流导数计算或特定函数的方法，则对数字实现和传感器噪声敏感，增加了复杂性。

本研究的目标是提出一种简单、可靠的无传感器控制方法，用于检测BLDC电机的反电动势过零点，从而实现无需位置传感器的电机驱动。该方法旨在克服现有方法的局限性，特别是消除对电机中性点电压的需求，避免复杂的滤波或微分运算，并确保在宽速度范围和负载变化下的稳定运行。

三、 研究流程与方法细节 本研究是一项结合理论分析、仿真验证与实验测试的完整技术开发工作。其工作流程主要包括以下几个步骤：

1. 理论提出与数学模型构建：

   • 研究基础：研究针对三相星形连接的BLDC电机及其典型的三相逆变器驱动电路进行分析。核心思想是从电机端电压（相对于直流负母线测量）中提取反电动势过零信息，而无需访问电机中性点。
   • 关键推导：研究从电机的相电压方程出发，推导出线电压方程。通过创新的数学处理，将两个线电压相减（例如 Vab - Vbc），得到一个差值电压（记为 Vabbc）。论文通过详细的理论推导证明，在特定的120度导通区间内（例如A相和C相导通，B相关断），该线电压差值 Vabbc 恰好等于未导通相（B相）反电动势的负二倍（-2ebn）。即：Vab - Vbc = -2ebn。这一结果表明，线电压差值波形是反电动势波形的倒置和放大（增益为2）版本。因此，通过检测 Vabbc 的过零点，即可间接、准确地检测到B相反电动势的过零点。同理，可以构造其他线电压差值组合来检测另外两相反电动势的过零点。
   • 方法优势：该方法直接利用线电压，天然消除了对电机中性点电压的需求，同时也抑制了共模噪声。由于不涉及积分或微分运算，实现简单，对计算要求较低。

2. 方法有效性验证（针对实际波形）：

   • 研究材料：为了验证上述理论推导对于非理想（实际）反电动势波形的适用性，研究使用了两种实验测得反电动势波形。一种是本文实验所用电机自身的反电动势波形，另一种是来自文献的、具有较高槽脉动（slot ripple）的反电动势波形。
   • 处理与分析：利用测得的三相反电动势数据，根据公式 ea + ec - 2eb 计算出线电压差值 Vabbc，并将其与 -2eb 的波形进行对比。数据分析的重点是观察在反电动势过零区域附近，两条波形是否吻合。
   • 结果：对比图显示，即使在反电动势波形存在显著槽脉动的情况下，计算得到的 Vabbc 与 -2eb 在过零瞬间的匹配度仍然非常高，误差可忽略不计。这证明了所提方法对实际电机波形的鲁棒性，并不依赖于理想梯形波假设。

3. 系统仿真与算法开发：

   • 仿真平台与对象：研究使用Saber软件对整个无传感器BLDC驱动系统进行仿真。仿真所用的BLDC电机参数与后续实验电机一致（额定功率400W，额定转速3000r/min，6极等）。
   • 算法流程： a. 信号获取与处理：仿真中，测量三相端电压（Va, Vb, Vc），计算线电压及其差值（Vcaab, Vabbc, Vbcca）。 b. 尖峰消除：论文指出，在换相期间，由于续流二极管导通，端电压波形会出现尖峰，这可能干扰过零检测。为此，研究提出了一种“采样保持”技术：在尖峰出现前对端电压值进行采样并保持一段时间，以覆盖尖峰持续时间，从而获得干净的信号用于后续计算。附录部分通过详细的电路分析和数学推导，论证了换相尖峰的持续时间远短于反电动势过零点到来的时间，因此该采样保持方法是可行的。 c. 过零检测：对处理后的线电压差值信号进行过零检测，得到反电动势过零点（Zero-Crossing Point, ZCP）信号。 d. 启动与运行模式切换策略：电机启动采用作者先前提出的无传感器启动技术。启动模式下，功率器件的触发与检测到的ZCP同步。当电机成功启动后，需要切换到正常运行模式。在正常运行模式下，最佳的换相时刻应滞后于反电动势过零点30电角度（以便在反电动势平顶部分导通相绕组）。 e. 30度延迟生成：研究提出了一种基于数字计时器的延迟生成算法。在运行模式中，当检测到一个ZCP（例如C相）时，启动一个计数器；在下一个ZCP（例如B相）到来时停止计数器。这两个ZCP间隔60电角度，计数值代表了60度的时间长度。将该计数值右移1位（即除以2），得到30度电角度对应的时间值，并加载到一个数字比较器中。随后启动计时器，当计时器计数值达到预设的30度时间值时，即产生正确的换相信号。此过程持续进行，以维持运行模式。
   • 仿真验证内容：仿真展示了从启动模式到运行模式的平滑切换。结果显示，在启动模式，器件在ZCP触发；切换到运行模式后，触发时刻产生了精确的30度延迟，相电流与反电动势平顶部分对齐，验证了算法的有效性。

4. 硬件实现与实验验证：

   • 实验系统构建：搭建了完整的实验平台。核心包括：一台400W、3000r/min的六极BLDC电机，耦合一台直流发电机作为负载；一个三相功率MOSFET模块作为逆变器；以TI TMS320LF2407A数字信号处理器（DSP）作为控制器，实现所提出的无传感器算法。
   • 信号调理：通过电阻分压器将电机三相端电压降至DSP的ADC可接受范围。采用与仿真相同的采样保持方法来消除电压尖峰。通过将ADC采样与PWM开通时间同步，来滤除高频开关噪声。
   • 实验测试场景： a. 空载启动与运行：测试电机从静止状态空载启动，经历转子预定位、启动模式，最终平滑过渡到无传感器运行模式的过程。记录相电流和转速波形。 b. 带载启动：测试电机在连接负载情况下的启动性能。 c. 负载突变动态测试：在电机已处于无传感器运行模式时，突然施加高负载，测试算法的动态响应和稳定性。 d. 信号对比：对比由所提算法产生的“虚拟霍尔”信号与实际霍尔传感器信号在高频PWM开关下的波形一致性。
   • 数据处理：实验结果主要以波形图的形式呈现，用于直观展示电机启动、模式切换、稳态运行及动态负载下的电流、转速和逻辑信号。

四、 主要研究结果 1. 理论验证结果：成功推导并证明了通过线电压差值（Vab-Vbc等）可以精确放大并提取未导通相反电动势的过零信息。对实际电机（包括高槽脉动电机）反电动势波形的分析证实，该方法在过零区域具有极高的准确性，误差可忽略，表明其具有良好的通用性。 2. 仿真结果： * 仿真成功复现了理论预测的波形关系，线电压差值 Vabbc 在反电动势过零区域与 -2eb 高度吻合。 * 提出的采样保持方法有效消除了换相电压尖峰对过零检测的干扰。 * 启动-运行模式切换算法工作正常。仿真波形清晰显示，启动模式下换相发生在ZCP，切换到运行模式后，换相点自动延迟了30电角度，相电流被准确地控制在反电动势的平顶区间，从而产生平稳的转矩。 3. 实验结果： * 平稳启动：无论是空载还是带载条件下，电机都能从静止状态可靠启动，并平滑过渡到无传感器运行模式。转速上升平稳，无严重畸变。 * 稳态运行：在无传感器运行模式下，电机能稳定运行在额定转速附近。 * 动态性能：在运行模式下突然施加高负载，电机转速出现短暂下降后能迅速恢复稳定，系统继续保持无传感器运行，证明了算法具有良好的抗负载扰动能力。 * 信号准确性：实验捕获的“虚拟霍尔”信号与实际霍尔传感器信号在PWM开关环境下基本一致，验证了所提算法生成转子位置信息的可靠性。

这些结果层层递进：理论推导为方法奠定了基础；针对实际波形的验证确保了方法的实用性；仿真结果初步验证了算法的可行性并优化了流程；最终的硬件实验则全面证实了整个无传感器驱动系统在实际运行中的有效性、鲁棒性和动态性能。所有结果共同支撑了论文的最终结论。

五、 研究结论与价值 本研究结论是：提出并验证了一种基于线电压差值反电动势过零检测的新型无传感器BLDC电机驱动方法。该方法简单、可靠，仅需测量三个电机端电压，无需电机中性点，避免了积分、微分或复杂滤波。研究还配套提出了包含启动、模式切换和30度延迟换相的完整运行算法。

该研究的价值体现在： * 科学价值：为BLDC电机无传感器控制领域提供了一种新的反电动势检测思路。其核心贡献在于发现了线电压差值与被检测相反电动势之间简洁的数学关系（-2倍关系），并证明了其在非理想波形下的适用性。这丰富了无传感器控制的理论体系。 * 应用价值： * 降低成本与提高可靠性：消除了位置传感器及其相关接线，降低了系统成本和故障率，提升了在恶劣环境下的适用性。 * 简化实现：无需虚拟中性点电路、复杂的滤波网络或高精度电流微分，降低了硬件和软件的实现难度，有利于工程化推广。 * 性能良好：方法支持宽速度范围运行，并能承受负载突变，满足许多实际应用的需求。 * 提供完整方案：论文不仅提出了检测方法，还给出了从启动到持续运行的全套解决方案，具有很高的工程参考价值。

六、 研究亮点 1. 方法新颖性：提出“通过线电压差值间接获取放大版反电动势”的核心思想，是该方法最主要的创新点。它巧妙地利用现有测量量（端电压）进行组合运算，获得了比直接测量更优的信号（增益为2），且无需额外硬件访问中性点。 2. 实现简单性与鲁棒性：整个方案不涉及复杂的数学运算（如积分、导数）或对电机参数的精确依赖，主要依赖过零检测和数字计时，实现简单，对处理器要求不高，且抗噪声能力较强。 3. 对非理想波形的验证：研究并未停留在理想梯形波假设，而是特意使用带有槽脉动的实际反电动势波形来验证方法的有效性，增强了研究结论的说服力和普适性。 4. 系统性的解决方案：研究涵盖了从理论推导、仿真验证到硬件实现的全过程，并详细解决了实际工程中遇到的电压尖峰干扰、启动策略、模式无缝切换等关键问题，形成了一个完整、可落地的技术方案。

七、 其他有价值内容 * 附录的深度分析：论文附录对换相期间电压尖峰的成因和持续时间进行了深入的电路建模和数学分析，定量地证明了尖峰持续时间远短于30电角度间隔，从而为“采样保持”这一简单有效的抗干扰措施提供了严谨的理论依据，体现了研究的细致程度。 * 与现有技术的对比：引言部分对多种主流无传感器方法进行了简要回顾和优缺点分析，清晰地定位了本研究工作的出发点和欲解决的问题，展现了作者对领域发展状况的把握。 * 实验设计的全面性：实验部分考虑了空载、带载启动以及运行中负载突变的多种工况，较为全面地评估了所提算法的性能，测试场景贴近实际应用。