BLDC无位置传感器控制方式介绍

快速概述此问题

第4季第9章小课《常用电机分类及控制方法》结束时，我们给大家留下了新问题：

BLDC根据转子的位置进行换相控制，转子位置通过位置传感器获得。本期我们将介绍BLDC的无位置传感器控制方法。

01为什么需要无位置传感器控制？

在工业生产中，我们会根据不同的应用场景选择合适的转子位置传感器。对于高精度伺服应用，例如工业机器人手臂，需要使用高分辨率光电编码器或检测磁场变化的磁编码器。对于要求较低的应用，例如工业风扇，考虑到传感器的成本，一般使用霍尔位置传感器就足够了。

图1：适合不同应用场景的位置传感器

霍尔位置传感器体积小、价格便宜、工作稳定、安装方便。通过利用霍尔传感器在一个电周期内提供的六个转子位置作为换相信号来控制MOSFET管的通断，可以将上一视频中提到的六步法转换为BLDC。

然而，位置传感器的存在会增加电机的尺寸和成本，并限制系统的尺寸。在恶劣的工作条件下，位置传感器存在失效风险，会降低系统可靠性。

由于位置传感器的应用有限，是否可以用其他位置检测方式替代，进一步拓展无刷直流电机的应用场景？

就这样，无位置传感器控制应运而生！

023 大核心控制算法拆解

无位置传感器控制的核心是转子位置估计策略。目前常用的BLDC无位置传感器控制算法主要分为以下三种：

第一种常见的是反电动势过零检测方法。当方波驱动的BLDC 使电机旋转时，由于转子磁场磁感应线的切割作用，定子绕组中会形成反电动势（BEMF）。

从反电动势过零点与电机换相点的位置关系可以看出，反电动势过零点延迟30电角度为电机换向点S。因此，只要检测到相反电动势的过零点，就可以获得六个离散的转子位置信号。

图2：反电动势过零检测方法方波原理图

反电动势法原理简单，易于实现。但存在静止和低速时反电动势测量困难、实际反电动势波形不理想、高频信号干扰等问题。需要设计合适的检测电路和控制策略来获取电机绕组的反电动势信号。

第二种常见的无位置控制算法是磁链法。它主要通过检测BLDC定子绕组中的电流和电压信号来计算磁链，然后根据磁链与转子位置的关系间接获得电机的转子位置。

根据电机知识，我们可以知道，定子相绕组磁链与转子位置的关系式为：

电机的反电动势还与永磁体磁链有关：

通过这些公式，我们可以得到两相绕组磁链差与电机换相点之间的关系。以A相为例，检测到两相绕组B、C之间磁链差的过零点延迟了30电角度，即为电机A相的换相点。

图3：磁联动法方波图

磁链法也是间接计算转子位置，但磁链幅值不受电机转速影响，因此适用于整个速度范围，适应性更强。但仍然需要其他方法来启动电机，且计算结果容易受到电机参数变化的影响，其应用也受到限制。

第三种常用控制是采用状态观测器方法检测转子位置。其基本控制思想是以定子电流（iA IB IC）、母线电压（Udc）、电机参数（定子电阻、定子电感……）作为状态变量，根据电机的数学模型建立转子位置的观测模型。

图4：观测模型示意图

常见的方法是反电动势或磁链观测器，通过提取反电动势或磁链中包含的连续转速或位置信息来实现BLDC的无位置控制。但在零速和低速范围稳定性较差，可能完全失效。

在实际应用中，可以利用卡尔曼滤波器、滑模观测器、自适应观测器改变算法结构，实现更有效的转子位置检测。

状态观测器方法抗干扰能力强，在高速、重载等情况下控制效果好，可随时检测转子位置信息。但由于状态观测器法需要不断计算系统状态变量，因此要求控制芯片具有较高的运算速度。

03MPS最新方案：MP6636专用芯片

在BLDC无位置控制中，无位置控制技术的集成化、芯片化已成为新趋势。 MPS最近推出了一款用于三相BLDC位置无传感器控制的专用芯片——MP6636。

与通过反电动势过零检测获得的六个离散转子位置信号相比，MP6636可以随时检测转子位置信号，并采用FOC控制，确保电机在旋转过程中扭矩始终恒定。与6步换向控制相比，电机运行更加平稳。

图5：三相BLDC无位置传感器控制芯片MP6636