无刷直流电机无位置传感器控制器研究
李瑫，高元楼**
作者简介：李瑫，(1987-)，男，硕士研究生，机械电子工程
通信联系人：高元楼，(1963-)，男，副教授，机械电子工程. E-mail: gaoyuanlou@263.net
（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191）
5 摘要：无传感器控制技术是无刷直流电机控制领域研究的热点,其中转子位置的检测是研究
的核心问题。本文介绍了“反电势法”的工作原理，并采用“反电势法”的无传感器控制技
术，研究了基于MC56F8013 型16 位DSP 的无刷直流电机调速控制器的硬件、软件结构及实
现，并进行了相关实验。实验曲线表明，“反电势法”检测转子位置信号是准确可靠的，无
刷电机能够正常换相运行。
10 关键词：电机控制；无刷直流电机；无传感器控制；反电势法；DSP MC56F8013
 0 引言
直流无刷电机以电子换向取代直流电机的电刷换向器，即保持了直流电机的优点，又避
免了直流电机因电刷而引起的缺陷，具有机械特性线性度好、调速范围宽、寿命长、维护方
便、可靠性高、噪声小、不存在换向火花、不会产生对无线电信号的干扰等优点，在家用电
30 器、工业设备、汽车电气和军事装备等领域得到广泛的应用，进而对无刷直流电机的控制提
出了更高的要求。目前，无刷直流电机的发展正朝着数字化、智能化、无位置传感器等控制
方向发展。因而，基于DSP 的无刷直流电机无位置传感器控制器的研究具有很重要的现实
意义和发展前景[1]。
1 无刷直流电机工作原理
35 无刷直流电机由电机本体、位置信号检测装置以及电子换向开关电路（逆变器）三部分
组成[2]。其原理结构如图1 所示。
对定子（电枢）绕组通电，位置信号检测装置实时检测转子的位置信号，控制电子换相
开关电路改变电枢绕组的通断，从而改变定子磁场方向，保证合适的转矩角，驱动转子旋转。
定子磁场的移动是步进的，并且其改变频率取决于电机的转速。
 N
S
S N
AT
AB
BT
BB
CT
CB
CB
CT
BB
BT
AB
AT
+
-
换
相
控
制
40
图1 无刷直流电机原理图
Fig. 1 Principle diagram of brushless DC motor
2 反电势法原理
45 转子位置信号的检测是无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键。近年来，国
内外均出现了很多的位置信号检测方法。“反电势法”是迄今为止最成熟，最有效且应用最
广泛的一种转子位置信号检测方法。它又主要包括三种方法：过零点法、锁相环法和积分法。
反电势法通常是指过零点法[3]。
50 图2 反电势波形
Fig. 2 Back EMF waveform
对于采用“两两导通三相六状态”运行方式的方波型无刷直流电动机，需要每隔60°
电度角控制定子绕组电流进行换相。在逆变器供电的任意瞬间，总有一相其上下桥臂均处于
55 断开状态，检测该相绕组所产生的反电势过零点，即可推测得到转子的六个关键位置信号。
如图2 所示，得到过零点m1~m6 再延迟（30°+ k×60°）电度角就是换相点。根据换相点
所对应的转子位置，根据表1，导通和关断相应的晶体管，就可以驱动电机正常运转。
表1 反电势过零点与转子位置关系
60 Tab. 1 Relationship of back EMF zero-crossing and rotor position
电机转子位置信号
过零点 延迟角度 换相点 Ea Eb Ec
转子位置
（电度角）
m1 30° n1 ﹢ ﹣ ﹢→﹣ 0°~60°
m2 30° n2 ﹢ ﹣→﹢ ﹣ 60°~120°
m3 30° n3 ﹢→﹣ ﹢ ﹣ 120°~180°
m4 30° n4 ﹣ ﹢ ﹣→﹢ 180°~240°
m5 30° n5 ﹣ ﹢→﹣ ﹢ 240°~300°
m6 30° n6 ﹣→﹢ ﹣ ﹢ 300°~360°
 3 控制器的研究设计
3.1 控制系统总体框架
本文主要研究无传感器无刷直流电机的调速控制，为了实现调速功能，控制器总体设计
框架如图3 所示。
65
图3 系统硬件结构图
Fig. 3 The structure diagram of system hardware
硬件方面：控制器以DSP 为核心，由外接开关完成电机启停。在电机启动加速之后，
70 反电势过零点检测电路检测电机转子位置信号，经控制器闭环计算由PWM 模块控制功率驱
动电路驱动电机运转。此外，设计电流检测电路检测电流信号构成电流负反馈，通信接口电
路完成PC 及和控制器之间的通信。
软件方面：电机采用“二次预定位软启动法”，由开环软启动程序对电机定位、加速到
一定值后切换到自控式状态。DSP 对反电势检测电路检测到的位置信号进行相关处理得到
75 换相时刻，再经过闭环PI 调节器，给出PWM 控制信号，实现对无刷直流电机的调速控制。
3.2 转子位置的检测
本文采用“反电势法”来检测转子位置信号。电枢绕组中反电势的波形与气隙磁场波形、
转子转速和转子相对于定子电枢每相绕组的位置有关。经过多种理想化处理，可得出气隙磁
感应强度沿圆周分布为梯形波[4]。定子绕组各相反电势为：
E NsB( )lrwr 80 = θ (1)
其中：Ns——单相绕组线圈匝数；
由上式知，电机匀速时，定子绕组反电势和气隙磁感应强度成正比，因而其波形也为对
称的梯形波，如图4 所示。这样，各相的反电势大小与转子的位置有了直接关系。
85 图4 气隙磁场分布波形和恒速时相绕组反电势波形
Fig. 4 The air gap magnetic field waveform and constant rate of phase winding back EMF waveform
 反电势不好检测，电机端电压信号的检测则要容易得多。可以通过检测端电压的大小来
估算反电势。端电压检测反电势过零点的方程组[5]为：
( )
( )
co ( ao bo co)
bo ao bo co
ao ao bo co
u u u u
u u u u
u u u u
= − + +
= − + +
= − + +
3
e 1
3
e 1
3
e 1
c
b
a
(2)
90 或者：
( )
2
1
( )
2
1
( )
2
1
c co ao bo
b bo ao co
a ao bo co
e u u u
e u u u
e u u u
= − +
= − +
= − +
(3)
这两种反电势过零点检测方式是完全等价的。另外一种形式为：
c co s
b bo s
a ao s
e u U
e u U
e u U
2
1
2
1
2
1
= −
= −
= −
(4)
其中：Us——母线电压；
95 检测到的反电势信号可有两种方式得到过零点[6]。其一是通过ADC 采样该电压信号，
转换成数字量送入DSP 中经过比较计算间接得到过零点；另一种是将端电压与电源电压分
压送入比较器，在输出高低电平跳变时即是反电势的过零点。本文采用第一种方式，通过
ADC 采样三相端电压的分压信号得到数字量，通过计算得到反电势并与前次的反电势进行
比较。比较得到符号变化时便是反电势过零点处，继而切换到换相子程序。端电压信号检测
100 电路如图5 所示。
R1
C1
R4
R7
30.9K
3.92K
5.62K
100pF
U'ao
Uao
Uzx_a
R2
C2
R5
R8
30.9K
3.92K
5.62K 100pF
U'bo
Ubo
Uzx_b
R3
C3
R6
R9
30.9K
3.92K
5.62K 100pF
U'co
Uco
Uzx_c
DCB_NEG
图5 端电压信号检测电路
Fig. 5 Terminal voltage signal detection circuit
 105 3.3 电机的调速控制
3.3.1 控制策略
电机调速控制最常用的是电流环与速度环的双闭环控制。电流环为内环，作用是通过调
节电枢电流来控制电机的转矩，减少电机力矩波纹，改善电机的动态特性和安全性；速度环
为外环，主要作用是快速响应给定的速度以及消除静差[7]。双闭环调速系统动态结构如图6
110 所示。
× ( 1) i i
i
K s
s
τ
τ
+
1
P W M
s
K
τ s +
1/
1
a
a
R
− τ s +
i U
× a
m
R
τ s × 1
e K
1
1 oi τ s +
1 oi s
β
τ +
1 ons
α
τ +
( 1) n n
n
K s
s
τ
τ
× + 1 ons
α
τ +
n U
*
n U
*
i U
− −
图6 双闭环调速系统动态结构框图
Fig. 6 Dynamic structure diagram of double closed loop speed regulation system
115 双闭环调速系统的两个调节器均采用比例积分控制（PI 控制），兼顾了快速响应和消
除静差的要求，提高了系统的稳定性，同时控制器结构简单，易于实现。为改善控制性能，
闭环程序采用积分分离PI 算法，既保持了积分作用，又能减少超调量。
3.3.2 电流的检测与调节
电机定子绕组电流检测方法通常有两种：传感器直接检测法和分流电阻法。本文采用分
120 流电阻检测法，将采样电阻安放在电源对地端，通过采样电阻上的电压降，经过放大处理送
入DSP 的ADC 端口转换成数字的电流信号，对PWM 波的占空比进行调节，同时也进行限
幅控制。
电流的调节就是对PWM 波占空比的调节[8]。计算采样电流值与参考电流的偏差，电流
偏差经过PI 调节器产生一定宽度的PWM 波，电流误差的大小正负决定了PWM 波的宽度。
125 当等于零时，PWM 波的宽度不变；当过大即参考电流大于实际电流很多，使得PWM 波宽
度大于控制周期时，就令PWM 的宽度为控制周期，此时输出最宽的波以最快地增大转速；
当过小为负值即参考电流小于实际电流很多，使宽度小于零，就令PWM 的宽度为零，此时
以最快的速度降低转速。由输出的六相波，经由功率驱动电路控制功率逆变器晶体管的开关
模式，进而控制无刷直流电动机的转矩和转速。AD 采样周期为50us，通过移动平均值滤波
130 算法对采样值进行数字滤波处理，电流环调节的周期为600us。
3.3.3 速度的检测与调节
反馈速度是通过计算间接得到的。反电势两次过零点之间的电度角为60°，检测两次
过零点之间的时间间隔即可计算得到转子速度。具体做法为：在定时器中断程序中设置变量
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