无传感器，始终不反向旋转:风机电机快速准确启动

2022年9月09日

2022年9月09日

作者:Masahira Kurihara，汽车系统工程经理雷竞技竞猜下载

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摘要

在现代风扇或泵，成本节约和动力效率激励推动电机设计向无传感器电机驱动。传统的电机驱动器使用带有三个霍尔传感器的梯形电机控制:霍尔传感器给出转子位置，电机从启动速度为零产生鲁棒转矩而不反向运动。然而，传统的无传感器启动需要转子校准，因此反向运动可能与该方法相关联，直到校准完成才会产生扭矩。本文描述了初始转子位置检测技术如何克服这一挑战，以提供抗逆转，快速，无传感器启动。

高功率密度电机市场趋势

今天，市场趋势是使用无刷直流(BLDC)电机的高功率密度电机设计。为了正确地驱动无刷直流电动机，必须知道被感知的磁铁的精确位置。这通常需要一个角度传感器，如磁霍尔传感器或编码器。与直流电动机相比，无刷直流电动机解决方案增加了控制器设计的成本和复杂性。为了优化成本，一些无刷直流电动机应用可以使用没有电机角度传感器的控雷竞技最新网址制器。本文介绍了多种先进的无传感器启动技术，以克服正确的无刷直流电动机启动所需的确定磁铁位置的挑战。

传统的无传感器启动方式

传统的无传感器驱动器使用“直流对准启动”方法，其中控制器在三相绕组中施加直流电流，以便转子磁铁引力到已知位置。这个解决方案迫使电流对齐，使转子与磁铁正确对齐。这种方法如图1所示，与相位u校准完成后，转子校准完成，电机可以开始从该位置旋转。

直流对中方法简单易行，可应用于多种类型的无刷直流电动机。然而，当电机或连接负载具有较大的惯性时，沉淀到对准位置的时间增加。因此，总体启动时间往往比传感器无刷直流驱动器更长。此外，根据转子的停放位置，转子可以向后移动以与定子对齐。这种少量的反向旋转对某些应用(如泵)造成了不良影响。雷竞技最新网址

使用这种传统的直流对准方法，电机启动——从零转速到稳定的高惯性旋转——可能需要超过5秒。

常规的ipd启动方法:电感饱和

初始位置检测(IPD)方法是可利用的，利用电感饱和，使无传感器检测转子的初始位置不移动轴。电感饱和技术利用定子绕组中的电感状态。如果绕组产生的总通量超过某一点，电感就会饱和。定子接收由绕组和磁通产生的整体磁通。磁通分量随转子位置的变化而变化，因此电感饱和电流随磁通的变化而变化:

•当磁铁的位置与定子对齐时，电感很容易饱和。

•当磁铁偏离定子90度时，来自磁铁的饱和效应为零。

与使用传统直流对准方法的电机启动相比，使用电感饱和的IPD明显更快:传统的直流对准可能需要超过5秒，可能包括反向旋转，而IPD能够在通常小于1毫秒的时间内检测到初始转子位置，而没有任何反向旋转。利用电感饱和的IPD提供了60度的初始检测精度。然而，这种性能伴随着不必要的噪声成分:通常，必须向电机注入6个测试电流脉冲，这将产生6次不必要的咔哒声。

先进的ipd启动方法:显著性与电感饱和

在永磁同步电机(PMSM)中，电机端电感随转子位置的变化而变化。这种被称为“显著性”的现象被有意设计到一些pmms中。例如，根据应用需要，一些永磁同步电机可能使用内部永磁同步电机(IPMSM)来增强转矩特性，而另一些永磁同步电机(SPMSM)则可能使用表面永磁同步电机(SPMSM)，其相对不那么显著。显著性行为特征的角度-即。，取决于转子位置的电感差，如图3所示。

观察电感可以检测转子的初始位置。由于无论磁通方向如何，显著性都存在，因此0°~ 180°之间的显著性特性与180°~ 360°之间的显著性特性相同。因此，使用显著性需要另一种方法，如电感饱和测量，以确定北极或南极:

•当磁铁(d轴或反d轴)对准一个相位，电感将在最大。

•当磁铁偏移90度(q轴或反q轴)时，电感将达到最小值。

Allegro MicroSystems开发的一种IPD技术利用了电感饱和和显著雷竞技竞猜下载性效应，并在电机控制器驱动器中使用了专用模拟检测电路。显著性测量是使用高精度比较器实现的。这通常可以在六个PWM周期内检测显著性特征。显著性测量完成后，对绕组施加一个测试电流脉冲，以检查电感饱和，这是用来识别磁极。

这种方法可以忽略校准，在不移动轴的情况下，可以在不到1毫秒的时间内检测到初始位置，并提供了额外的灵活性:如果目标电机的显著性较低，只能使用电感饱和来检测初始位置。与仅依赖电感饱和的传统IPD方法相比，Allegro IPD方法使用两级IPD方法，因此将所需的测试脉冲电流从6个减少到2个，从而减少了点击声音的数量。此外，与传统的IPD方法相比，利用显著性效应将初始检测精度从60度提高到30度。Allegro IPD方法提供了更快、更准确、更安静的初始检测能力，并导致快速、可靠、不反转的启动。一个评估GUI可用来验证启动性能。

结论和建议

表1对本文讨论的无刷直流电动机启动方法进行了比较总结。Allegro IPD方法的速度、准确性、非反向性和噪声特性使这种启动技术非常适合通用和汽车用途的风机风机。可用的无传感器电机控制器，使用Allegro IPD方法包括A89301[1],A89306[2]为一般风机市场风机，和A89307[3]用于汽车风机鼓风机。这些产品使用场向控制(FOC)系统驱动电机。驱动参数(包括Allegro IPD方法)可通过I2C通信接口选择并保存到内部NVM中，电机可根据预先编程的参数进行旋转。

原创作者:电子设计2022年6月。转载已获授权。

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