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华中科技大学

硕士学位论文

无位置传感器永磁无刷直流电机控制策略研究

姓名：施莹杰

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：程善美

20060509
摘要

永磁无刷直流电机(BLDC)由于其无换向火花，运行可靠，维护方便，结构简单，
易于控制，无励磁损耗等众多优点，自50年代出现以来，BLDC已在家电、医疗器
械、仪器仪表、化工以及轻纺等领域得到广泛应用。近年来，无位置传感器的永磁
无刷直流电机开始出现，与带位置传感器的永磁无刷直流电机相比，它具有成本低，
体积小，使用寿命长，维护方便，抗干扰强等显著特点，因而具有更广泛的市场前

景，是今后无刷直流电机发展的方向。
本文在建立无刷直流电机数学模型的基础上，详细分析了无刷直流电机的工作
原理和控制特点，并针对目前无位置传感器无刷直流电机控制中存在的磁极位置检

测精度低、起动控制复杂、转矩波动大、调速范围窄的问题进行深入研究。
通过对转子磁链三次谐波检测原理的分析发现，由于过零点和换相点同时发生，
当存在换相滞后时，补偿困难。本文在此基础上提出了一种反电动势三次谐波检测

策略，与转子磁链三次谐波检测相比换相时间提前了90°电角度，解决了换相滞后补
偿难的问题。
由于目前的大多数起动方法是建立在电机的具体参数(如加速曲线)基础上，一旦
电机有所变化(如负载转矩、转动惯量)，必须重新调整起动方案，不利于产品的批量
开发，缺乏通用性。针对该问题，本文提出了采用过零信号来辅助起动的方法，只
要确定电机最小起动转速，利用辅助的过零信号，可顺利完成起动过程。由于该方

法无须知道电机的具体参数情况，具有很强的通用性，适合在大多数电机上应用。
无刷直流电机在换流时电流不能突变会导致转矩脉动，这是无刷直流电机的一
个普遍的问题。针对这个问题，本文应用相角提前的方法改善了电流波形，抑制了

换流引起的转矩波动。
本文利用上述控制策略设计了一个无位置传感器无刷直流电机控制系统，并在

MATLAB环境下进行深入的仿真研究。系统的仿真结果表明，该系统具有较宽的运
行范围(200-2500r/min)、换流转矩波动小、在非额定工况下运行平稳、可使不同参数

I
特性下的电机平稳起动等特点。可见，所研究的无位置传感器无刷直流电机控制系

统是实际可行的。

关键词：无位置传感器无刷直流电机磁极位置检测起动控制转矩脉动
参数优化MATLAB

II
Abstract

TheadvantageofusingaPermanent-MagnetBrushlessDirectCurrent(BLDC)
motoristhatithasnocommutated-spark，highreliability,simplestructureandnoullage
ofexcitationanditiseasytomaintainandcontrol,soBLDCmotorshavebeenwidely
usedinhouseholdproducts,automotive,chemicalindustrialandmedicalinstruments
since1950s.ComparedwithtraditionalsensoredBLDCmotors,sensorlessBLDCmotors
havetheadvantagesoflowcost,smallsize,longduration,easymaintenanceanditcan
resistEMIeffectively.Becauseofthehugemarketpotential,sensorlesstechnologieswill
bethemaindirectionofthedevelopmentofBLDCmotors.
Thisthesisdescribestheoperationcharacteristicsandcontrolstrategiesbasedonthe
mathematicmodelofBLDCmotors.Thensomeproblemssuchaslowresolutionof
magnetpositionmeasurement,complicatedstartstrategy,torquerippleandlimitedspeed
rangeareanalyzed.
Itisfoundthatitishardtoachievephasecompensationwhenthereisaphaselag
becauseofthecoexistenceofthezerocrossingpointandphasechangepointbyanalyzing
theprincipleofth