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STM8单片机变频器设计

作者：IT小白 | 2024-06-07 16:09:21

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STM8单片机变频器设计

变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向数字控制变频器等方向发展。现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向。

电动自行车的驱动电机即为BLDC电机，本文以STM8S903K3单片机为核心，完成了电动自行车控制器的软硬件设计，尤其对BLDC电机的直流变频控制部分进行了重点阐述。硬件部分包括电源、MOSFET驱动、电流检测等电路的设计，画出了各电路具体工作原理图，解释了其工作原理并介绍了硬件设计注意事项。软件设计采用分模块结构，详细介绍了电子换相、欠压保护和速度控制等编程要点，画出了各模块的程序设计流程图并介绍了软件设计注意事项。

文中，着重介绍了电动自行车控制系统的基本组成和工作原理。包括无刷直流电动机的基本结构和工作原理并推导了其数学模型、电动自行车控制器的各项功能及工作原理、调速转把和制动转把的工作原理以及信号系统和照明系统的工作原理。整体上对电动自行车控制系统进行概括，为以后控制系统的软硬件设计奠定理论基础。

最后，详细阐述了以STM8S903K3单片机为核心的电动自行车控制器的软硬件设计。硬件部分包括电源、MOSFET驱动、电流检测等电路的设计，画出了各电路具体工作原理图，解释了其工作原理并介绍了硬件设计注意事项。软件设计采用分模块结构，详细介绍了电子换相、欠压保护和速度控制等编程要点，画出了各模块的程序设计流程图并介绍了软件设计注意事项。

1.2电动自行车控制系统的研究现状

电动自行车控制系统可以视为以控制器为核心，包括转把、刹把、仪表以及相关的传感器、开关按钮等器件的集成。其中，控制器决定了电动车的操控性能，因此控制器功能的提高、完善及合理发挥对于电动自行车控制系统来说尤为重要[10]。

电动自行车控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制、基于专用集成电路的控制系统、以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统和全数字控制系统[11~12]。

模拟控制系统由于模拟电路中不可避免的存在参数漂移和参数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影响，在电动自行车控制器中己经不采用了。

基于专用集成电路的控制系统采用无刷直流电动机专用集成电路如MC33033、MC33035、ML4428为控制核心，克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，但功能难以扩展，在早期的电动车控制器中应用较多。

数模混合控制系统和全数字控制系统采用数字电路、单片机以及数字信号处理器（DSP）构成硬件系统，控制规律由硬件实现转向软件实现。控制灵活、功能扩展方便且易实现较复杂的控制算法。目前的电动自行车控制器普遍采用这种控制系统[13]。

电动自行车控制器发展趋势及研究难点

1）研究难点

a.电机转矩脉动优化控制。120°六步换相控制时容易出现转矩脉动，影响无刷直流电机的平稳运行，增加噪声并降低效率。通常可通过调整PWM载波方式和重叠换相来抑制电流换相引起的转矩脉动。目前，为了减少转矩脉动，BLDC电机的控制方法的研究正在从传统的120°控制方法到180°的控制方法转换。

b.增加电机力矩。自行车在起动和爬坡时，要求电机及控制器有充分的过载能力，以提供足够的起动和爬坡力矩。通常，通过增加电流闭环控制可获得更大的起动力矩和响应速度。现状正在研究通过对电机的弱磁控制来增加电机的力矩。

c.能量再生控制及辅助电子刹车。续程性能一直是制约电动车发展的关键因素之一，提高续程的方法除了改进蓄电技术以及驱动策略外，还有就是刹车时采用先进的能量回收控制。目前已有的电动自行车能量回收方案基本上是基于电动汽车的能量回收控制理论，但大多数控制器并没有充分进行能量回收控制，只是作为ABS辅助刹车时的一个附加功能。

d.无位置传感器的BLDC控制。位置传感器的存在增加了电机的体积和成本，同时给电动自行车增加了一个故障源。统计表明，多数电动自行车的电机损坏实际上是由于位置传感器失效造成的。针对位置传感器的不利因素，人们对无位置传感器的BLDC控制技术进行了很多的研究，并在空调系统、风机等不同设计中得到广泛的应用。但在电动自行车中，由于无位置传感器控制技术无法解决平稳启动的问题，因此难以得到最终客户的认可，而一直没有得到广泛的使用。所以，该技术目前的瓶颈是如何解决平稳启动。

2）发展趋势

廉价化。对于现有的成熟设计，追求更低的成本。通过选用更低价钱的元器件以及MCU，相应地，MCU厂商会配合推出更新工艺的廉价兼容型号来降低控制器的成本。

智能化。智能化越来越成为电动自行车控制器的发展趋势。MCU必须具有自检、自维护能力，确保动作的“万无一失”。另外，防盗报警功能，电源自动识别功能，自动识别电机、智能锁功能等人性化设计都是技术上的发展方向。

集成化。集成化可以实现体积小、效率高、返修率低，因此是品牌厂家的首选。目前市场上普遍使用的控制器方案设计陈旧，外部分立元件多，任何一个元件失效都会影响到电控器质量。因此高度集中化是未来的发展方向。

定制化。由于电动自行车市场的庞大，为了进一步降低成本，一些公司开始专门为电动自行车业定制芯片。同时对于电动自行车控制器的设计部门来说，根据客户需求开发相应功能的控制器也是未来的发展方向[14]。

论文研究内容和结构

本文在前人研究的基础上，以24V，3相6极无刷直流电动机作为研究对象，研究的目的是开发出一款可供电动自行车领域的无刷直流电机无位置传感控制系统参考的控制器。

本论文首先详细介绍了本课题研究背景及意义、电动自行车的国内外发展现状和电动自行车控制器的研究难题及未来发展趋势。接着介绍了无刷直流电动机的基本结构、工作原理以及数学模型。然后介绍了电动自行车控制系统的各个组成部分并对各部分工作原理进行分析。介绍了无刷直流电机的数学模型，使用硬件电路的方法去检测反电动势过零点。最后对电动自行车控制系统软硬件部分进行分模块研究与分析，给出了系统软硬件设计框图及各模块的具体电路原理图和软件控制程序流程图。

无刷直流电机概述

无刷直流电机是随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，它是现代工业设备中重要的运动部件。无刷直流电机以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电力电子技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾，具有很强的生命力。

无刷直流电机最大特点是没有换向器（曾称整流子）和电刷组成的机械接触机构。因此，无刷直流电机没有换向火花，寿命长，运行可靠，维护简便。此外，其转速不受机械换向的限制，如采用磁悬浮轴承或空气轴承等，可实现每分钟几万到几十万转的超高转速运行。

由于无刷直流电机具有上述一系列有点，因此，它的用途比有刷直流电机更加广泛，尤其适用于航空航天、电子设备、采矿、化工等特殊工业部门[47]。

无刷直流电机控制系统概况

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换的装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。电动机主要类型有同步电动机、异步电动机（感应电动机）与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大到上万千瓦。众所周知，直流电动机具有控制简便和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围[15]。

随着社会生产力的发展，人们的生活水平的普遍提高，需要不断地开发各种新型电动机。科学技术的进步，新技术、新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的不断推陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病，早在20世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定成果[16]。但由于当时大功率电力电子器件仅处于发展的初级阶段，没能找到理想的电子换向的元器件，这就使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，无法推广使用。1955年,美国人D·哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形[16]。但由于该电动机尚无启动转矩，因而不能产品化。而后，又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现幻想的无刷直流电动机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元[16]。20世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能大功率电力电子器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

典型的无刷直流电动机控制系统主要由电机本体、转子位置传感器、主回路逆变器和控制逻辑单元构成，其中电机本体与转子位置传感器往往做成一体，而在本文中主回路逆变器被称作驱动电路，而控制逻辑单元则称作控制电路。

当前无刷直流电机调速系统驱动电路采用的功率器件主要是IGBT、MOSFET等全控型器件[15]。

根据获取转子位置的不同方式，无刷直流电机调速系统分为两大类：有位置传感器的无刷直流电机调速系统和无位置传感器的无刷直流电机调速系统。前者指电机上安装特殊的装置，直接获取转子位置信息的调速系统；后者指由系统变量间接确定转子位置的调速系统。无位置传感器的无刷直流电机调速系统具有体积小、结构简单、易于维护等优点，是无刷直流电机控制领域的一大研究方向[15]。

无刷直流电机本体有多种分类方式。根据定子相数的不同，可分为三相或多相无刷直流电机，其中以三相电机应用最为普遍；根据转子位置的不同，可分为内转子或外转子无刷直流电机；根据电机磁场方向的不同，可分为径向磁场或轴向磁场（盘式）无刷直流电机等[1]。

由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构特点、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机调速性能好等诸多优点，故而在当今国民经济的各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。如计算机硬盘驱动器和软盘驱动器里的主轴电动机、DVD机中的伺服电动机，均数以百万计地运用无刷直流电动机[16]。

无刷直流电机的结构与工作原理无刷直流电机的结构

无刷直流电动机的主要组成部分有电动机本体、位置传感器与电子开关等3部分，如图2.1所示。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼形绕组和其他起动装置。定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），转子由永久磁铁按一定的极对数（2p = 2，4，…）组成，电子开关一般是由功率电子器件和它的控制电路以及转子位置传感器等组成。图1所示的电动机本体为2极三相。定子A、B、C相绕组分别与电力开关元件V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相链接。

图2.1 无刷直流电动机的组成原理图

定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁铁的磁极产生的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动转子旋转；再由位置传感器将转子磁极位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的顺序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

因此，所谓的无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁同步电动机本体以及转子磁极位置传感器三者共同组成的“电子电动机系统”。其原理框图如图2.2所示。

图2.2 无刷直流电动机的原理框图

无刷直流电动机中的电子开关线路是用来控制电动机定子各相绕组的通电顺序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子的各相绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组的导通顺序和时间主要取决于来自转子位置传感器的信号。但位置传感器产生的信号要经过一定的逻辑处理后去控制功率开关。综上所述，组成无刷直流电动机的主要部件如图2.3所示[17]。

图2.3 无刷直流电动机的组成框图

基本工作原理

直流电动机的结构历来都是电枢为转子，磁铁为定子，在气隙中产生励磁磁场，其电枢通电后产生感应磁场。由于电刷的换向作用，在直流电动机的运行过程中，这两个磁场的方向始终保持垂直，从而产生最大电磁转矩，驱动电动机不停运转。同时，由于这两个磁场间互为正交，理论上没有耦合作用，可以独立对电枢电流进行控制来调节电动机的运动速度，这是十分方便的。

在无刷直流电动机的情况下，为了实现无刷换向，首先要做的是把一般直流电动机的电枢绕组安放在定子上，把永久磁铁安放在转子上，这恰好与传统的直流电动机机构相反。但是仅仅这样做还是不行的，因为用一般的直流电源给定子上的各相绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁铁产生的永久磁场相互作用，以产生单一方向的转矩驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由定子和转子组成的电机本体之外，还要有位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成的换相装置，使得无刷直流电动机在运行过程中，定子绕组所产生的磁场和在转动中转子磁铁所产生的永久磁场，在空间始终保持在90°左右的电角度[17]。

一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由于电力电子逆变器供给电枢绕组的电流并不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是跳跃式的步进磁动势，它和恒速旋转的转子磁动势产生的转矩除了平均转矩之外，还有脉动分量[18]。由于电力电子逆变器的换向作用，使得这两个磁场的方向在电动机运动的过程中始终保持一定的角度，从而产生最大平均转矩而驱动电动机不停地运转，与直流有刷电动机不同，无刷直流电动机的电枢转一圈，定子绕组只换相6次，每个极换相三次，相当于只有三个换向片的直流电动机。

电子换向逆变器主电路如图2.4所示，从AA’，BB’，CC’代表无刷直流电动机的三相定子绕组，采用Y型连结，逆变器为两两通电方式，120°导电型。首先假设转子处于图2.5（a）的位置，若此时使V3，V4导通，则电流从B端流入，A端流出，定子磁动势为Fa，如图2.5所示，在Fa的作用下，转子将顺时针旋转，转到图2.5（b）的位置时，如果使V4，V5导通，则电流由C端流入，A端流出，定子磁动势为Fb，在Fb的作用下，转子将继续顺时针旋转，依次类推，如果每隔60个电角度顺序使V5和V6，V1和V6，V1和V2，V3和V2两两导通，即可使定子磁动势分别如图2.5（c）、图2.5（d）、图2.5（e）图2.5（f）所示，从而形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果让开关管反复按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于转子磁极轴线角度60°-120°之间。其各相绕组导通示意图如图2.6所示。

图2.4 逆变器主电路

图2.5 无刷直流电动机的运行原理图

图2.6 各相绕组导通示意图

由上述的分析可见，要使无刷直流电动机正确的换相运行，必须知道图2.5所示的六个转子关键位置，六个转子关键位置即对应着无刷直流电动机的反电动势的过零点后的30个电角度处。如果是有位置传感器无刷直流电动机，则可以通过传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息。目前在无刷直流电动机中常用的位置传感器主要有以下几种：①霍尔效应的磁敏式开关元件；②发光二极管和光敏晶体管的光电变换开关元件；③电磁感应式位置传感元件。[17]如果是无位置传感器无刷直流电动机，则需要通过其他方法，例如利用无刷直流电动机的三相定子绕组的反电势，直接或间接的获得转子位置信息[19]。

无刷直流电机的控制原理有位置传感器BLDCM控制原理

有位置传感器的无刷直流电机的电流换向主要是通过位置传感器测得转子位置，确定功率开关器件的导通或关闭，其结构原理图如图2.7所示，位置传感器是由六只光电器件P1，P1’，P2，P2’，P3，P3’组成，位置各相差60°，均匀分布在电机的一端，借助安装在电机轴上的旋转遮光板或称截光器的作用，使得从光源依次照射在各个光电器上，并依照某光电器是否被照射到光线来判断转子的位置。当某光电器被光照射到时，它所连接的功率开关器件就导通，当某光电器没有被光照射到时，它所连接的功率开关器件就关闭。

如图2.7中旋转遮光板所在位置，光电器P2，P1被光照射到，它所连接的V3，V4导通，其所对应的转子位置和绕组产生的磁动势Fa如图2.5（a）所示；当电机按顺时针方向运转，光电器依次是P1’，P3，P3，P2’，P2’，P1，P1，P3’，P2被光照射到使得它们所对应连接的功率开关器件V4，V5，V5，V6，V6，V1，V1，V2，V2，V3依次导通，其所对应的转子位置和绕组产生的磁动势Fa分别如图2.5（b），图2.5（c），图2.5（d），图2.5（e），图2.5（f），所示，从而实现无刷直流电机的换向。

图2.7 有位置传感器无刷电机的原理图

无位置传感器BLDCM控制原理

有位置传感器的无刷直流电机的换向主要靠位置传感器检测转子的位置，确定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积，同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来安装的难度因此人们在研究过程中发现，可利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产生的反电势来确定电机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的无刷直流电机，其原理框图如图2.8所示。

由图2.5无刷直流电动机的运行原理图可知，当电机在运行过程中，总有一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生的反电势，该反电势在60°的电角度是连续的，由于电机的规格、制造工艺的差异，导致相同电角度的反电势值是不同，若要通过检测反电势的数值来确定转子的位置，难度极大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，就能确定转子的位置。从图2.9中可以看出，反电势在的电角度过程中总有一次经过坐标轴（过零点），而此点的电角度和下一次换向点的电角度正好相差30°，故可以通过检测反电势过零点，再延时30个电角度换向。

以图2.5为例，假设转子在图2.5（a）所示的位置为0°电角度，V3，V4导通，A-A’相、B-B’相有外加电压，C-C’相的产生的反电势如图2.9所示；转子旋转30个电角度后和磁动势Fa相垂直，C-C’相产生的反电势正好过零点；当转子再旋转30个电角度时（即检测到反电势过零点再延时30个电角度），到图2.5（b）所示的位置，此时使V4，V5导通，V3关闭，让A-A’相、C-C’相有外加电压，B-B’相没有外加电压，可以检测B-B’相产生的反电势过过零点再延时30个电角度，让V5，V6导通，V4关闭，依此类推，可以实现无位置传感器无刷直流电机的换向。

图2.8 无位置传感器的无刷直流电机原理框图

图2.9 电机运行时各相产生的反电势示意图

无刷直流电机控制技术研究现状

近年来，国内外学者对无位置传感器无刷直流电机控制技术的研究主要集中在以下几个方面：

无位置传感器无刷直流电机的起动

无刷直流电机在静止或低速时反电动势为零或很小，很难用来判断电机转子磁极的位置，因此必须利用其它方法对电机转子进行定位和起动控制。

1) 三段式起动方法最常用的起动方法是“三段式”起动方法 [20~23]，它分为“转子定位”、“他控同步加速运行”、“自控同步运行”三个阶段。这种方法的关键在于“他控同步”阶段到“自控同步”阶段的切换，这关系到无刷直流电机起动的成败。针对这一问题，文献[24~25]提出了“自寻最佳点切换法”。三段式起动过程的成功实现，受电机负载转矩、外施电压、加速曲线及转动惯量等诸多因素影响，具体表现为：在轻载、小惯量负载条件下，三段式起动过程一般能成功实现，但在切换阶段往往运行不平稳；当电机重载运行时，切换阶段往往会发生失步而导致起动失败；当“反电动势信号”与外同步信号相位差过大时，三段式起动可导致电机失步，即使能避免失步，也必然导致切换时电机转矩较小，易受干扰；通过优化加速曲线，三段式起动能保证电机顺利起动，但是对不同电机、不同负载，所对应的优化加速曲线不一样，这样导致通用性不强，控制过程也比较繁琐，涉及到的数据多，实现起来很不方便。

2) 预定位起动法预定位起动方法也分为“转子定位”、“他控同步加速运行”、“自控同步运行”三个阶段。在起动阶段，按照所需的转向依次改变逆变器功率器件的触发组合状态，同时用“端电压法”检测各触发组合状态所对应的开路相的反电势过零点，并通过提高PWM占空比逐渐提高电机的外施电压。各触发组合状态的持续时间最大值保持不变，设为T0，与自控式状态一样，用计数器进行计时，换流时刻固定在T0/ 2 处。换流后对开路相的反电动势过零点进行检测，只要检测到开路相的反电动势过零点，计数器就重新复位，到T0/ 2 后再换流，这样依次进行，最后，如果连续N次检测到开路相的反电动势过零点，就切换到自控式状态。这种方法的优点是：绕组中具有时序固定不变的反电动势信号，从而可以保证电机有一个确定的转向，实现电机的正确起动，并且起动可靠，实现简单、方便，对于任意转子初始位置角，电机都能可靠实现预定位，保证电机从零速度起动并快速切换到无传感器闭环方式运行。缺点是：调试中T0和PWM的占空比的选择，以及对加速过程中占空比的变化速度的控制比较复杂，另外对切换时间要求较严，当电机惯量不同或带一定负载起动时切换时间需要调整，否则可能造成起动失败或电机反转现象，因此一般适用于电机空载起动[23]。

3) 脉冲检测起动法这是一种采用检测脉冲进行转子定位的起动方法。尽管它也分为转子定位、加速与切换三个过程，但定位与加速阶段与三段式起动的方法是不同。转子定位时给电机的定子绕组按一定的规则施加6个短时检测脉冲，然后成对比较相应的脉冲电流峰值，通过检查预先定义的转子位置代码表，得出转子位置及随后加速时将要通电的相序。加速过程中，每次当加速脉冲结束后，再一次发出6个检测脉冲确定转子的位置，然后再确定将要通电的相序，不断重复检测—加速—检测—加速的过程，直到电机转速高到可以用反电动势法确定转子的位置时为止。这种起动方式的优点是转子定位时能保证在起动时不会产生振荡，加速时控制简单、易于实现。缺点是这种起动方法是建立在铁心电感磁饱和基础之上的，如果无刷直流电机的定子绕组不是铁心线圈，比如是空心线圈或电机转子本身是一个标准的圆柱状永磁体，则该方法的可靠性将降低。因为使用这种方法很难准确地区分出6个电流脉冲峰值的大小，从而无法实现转子的定位，也无从实现电机的可靠起动[23~26]。

4) 外部硬件电路起动方法文献[27]提出了一种硬件电路起动的方法，这是一种升频升压的起动方式。起动时也能获得预定的起动效果，但附加的外部起动电路加大了电机的尺寸，对于较多应用于微型电机中的无刷直流电机是个不小的障碍。

无位置传感器无刷直流电机转子位置的检测

无位置传感器的无刷直流电机的位置估计方法可以从5个方面来论述：反电动势法、电流法、状态观测器法、人工智能法和磁链法。前3种方法的研究相对比较成熟，且都已得到一定程度的应用，而用人工智能方法和磁链函数法获得转子位置的研究则刚刚处于起步阶段[28]。

1) 反电动势法检测反电动势过零点或利用反电动势直接检测换相点的方法是最常用的位置检测方法。其实现拓扑电路多采用“端电压法”和“相电压法”，即在一定的调制方式下利用无刷直流电机的端电压或相电压检测反电动势过零点或换相点来实施换相控制。反电动势过零点方法又分为直接反电动势法、反电动势积分法和定子三次谐波法等几种。直接反电动势法是通过测量三相绕组的端点电位及与中性点间的电压来实现的，当某端点电位与中性点电位相等时，则认为此刻该相反电动势过零，再延时30个电角度去触发功率开关管进行换向。反电动势积分法是根据不导通相反电动势的积分信号来获取转子位置信息的。它是从不导通相反电动势过零时开始积分，对应于换向瞬时设置一个门限，用来截止积分信号。反电动势和转速之间存在线性关系，反电动势沿斜线变化的斜率和转子速度密切相关，在整个速度运行范围内，积分器的门限值应保持不变，一旦达到积分门限，复位信号立即将积分器置零，为了避免积分器由电机启动开始积分，复位信号应保持足够长的时间来保证在电流降为零之后起动积分器。这种方法对于开关噪声不敏感，积分门限可以根据转速信号自动调节。无刷直流电机的反电动势波形为梯形波，它包含了3次谐波分量。对此分量进行积分便得到转子磁通的3次谐波信号，而转子磁链的3次谐波分量的过零点就对应着无刷直流电机的换向时刻，因此可以根据这个过零点信号进行换向控制[29~30]。

2) 电流法由于端电压检测受速度变化、电机换向、低通滤波以及定子电阻电感存在的干扰，使得依赖端电压的测量来估算转子位置信号的准确性和精确性都受到不同程度的影响。而这些因素对电流的影响相对较小，与之对应出现了根据电机相电流信号来估计转子位置信息，进而控制无刷直流电机的换向方法，如直接电流检测法、电流变化率检测法和续流二级管法等。这种控制方法的精确性受处理器速度和功率管开关频率的限制，容易造成电流和反电动势不同相位运行，导致电机故障[31]。

3) 状态观测器法用卡尔曼滤波器估计转子位置和转子速度的方法最早是由 M.Schroedl于1988年提出的。根据卡尔曼状态方程，应用电机测量电压和测量电流就可得到转子位置的初步估测。根据这种方法来预测转子位置和转子速度时，其运行范围主要受电压、电流传感器的测量精度来确定。

4) 人工智能方法人工智能技术具备一定的智能行为，能够产生合适的求解问题的响应。随着人工智能技术的蓬勃发展和研究的深入，很多学者已经尝试着将人工智能的方法应用于电机控制中，神经网络是人工智能控制的一个方向，它具有很强的自适应性和自学习能力，因此将神经网络技术引入到无刷直流电机控制中进行转速估算和位置估算是很自然的一步。用这种方法预测转子位置时，运行范围主要受电压和电流的检测精度影响。

5) 磁链法文献[32]提出建立不依赖于转子速度但是和转子磁链直接相关的磁链函数来获得转子位置的信号。该函数在每个周期内对应6个峰值，通过检测峰值来获得转子的换相信号，可保证电机在 470～35000r/min范围内有效运行。文献[33]又介绍了一种新的检测转子位置的方法，它是在永磁转子的表面粘贴一些非磁性材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置角发生变化，从而可通过检测开路相电压来判断转子位置。这种方法完全排除了使用反电势，因而能保证起动和低速运行时可靠地工作。

无刷直流电机转矩脉动抑制

对方波型无刷直流电动机换相转矩脉动的研究，主要集中在控制换相期间三相电流的变化规律。针对无刷直流电机转矩脉动的问题，国内外学者也都纷纷提出了不同的抑制措施。文献[34]介绍的重叠换相法和PWM斩波控制法是通过改变换相时刻绕组的导通规律来调整电流的上升和下降斜率，从而达到转矩脉动抑制的目的。文献[35~38]研究了4倍的反电动势电压和母线电压的比值与转矩脉动的规律，研究结果显示，在换相时采用的占空比为反电动势电压和母线电压比值的4倍时就可以保证非换相的电流保持不变，从而减少转矩脉动，但是这种方法对占空比的要求比较严格，难以保证在整个调速范围内维持这种关系。为此，文献[39]提出了一种新的换相电流预测控制方法，该方法是通过使用前一次的电流值和占空比来预测下一时刻的电流值，再采用合适的方法调节电流达到减少转矩纹波的目的，但是这种方法计算繁琐，给软件设计工作带来不便。对于换相后不导通相的电流波动规律，文献[40]则做了详细地分析并给出了仿真波形加以验证，但并没有给出实测波形，也提出电流波动抑制的措施。

无刷直流电机的控制策略问题

永磁无刷直流电动机是典型的机电一体化产品。传统的控制策略是采用经典的 PID 控制，而采用先进的控制策略则可以进一步提高系统的整体性能。对此，国内外文献中也提出了一系列新的控制策略，如模糊 PID 控制策略[41]，自适应的模糊神经控制策略[42]，模型参考自适应控制策略[43~44]，单神经元控制策略[45~46]。总之，先进的控制策略主要集中在非线性建模、自学习方法的选择及局部控制等方面，其实现必然要通过微机或高性能的浮点处理器，成本比较高。

无刷直流电机的运行特性

无刷直流电机的运行特性是指电机在起动、正常工作和调速等情况下，电机外部各可测物理量之间的关系。

电机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此，我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律。据此，电机的运行特性可分为起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。

讨论各种电机的运行特性时，一般都从转速公式、电动势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。

对于无刷直流电机，其电动势平衡方程式为