无刷直流电机电流闭环误差比较大

无位置传感器无刷直流电机换相误差校正的新方法

电气技术

原创

2020-3-1 11:42

针对无位置传感器无刷直流电机运行时存在换相误差的问题，哈尔滨工程大学自动化学院的研究人员姚绪梁、林浩、鲁光旭、王景芳、赵继成，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于线电压差积分的无位置传感器无刷直流电机换相误差校正方法。与传统换相补偿方法相比，该方法不需要重新构造电机的虚拟中性点，积分边界容易确定，补偿算法简单。

无刷直流电机因其具有高效率、高功率密度等特点，在许多工业领域得到了广泛的应用，无刷直流电机通常利用霍尔传感器提供转子六个关键位置信息，但是安装在电机中的霍尔传感器引出线较多，且容易受到温度及外部电磁环境的干扰，使整个系统的可靠性降低，影响电机的运行。因此无位置传感器驱动技术已成为无刷直流电机高性能领域的热点。

目前已经研究出多种实现无位置传感器驱动方案，主要包括反电动势（Electromotive Force, EMF）法、续流二极管法、磁链估计法以及3次谐波法等，其中以反电动势法最为经济简便。无位置传感器无刷直流电机反电动势法可以分为三类：直接反电动势检测、间接反电动势检测和模型估计法。

无位置传感器无刷直流电机依然存在很多问题，比如电机的起动、低速范围内的转子位置检测和中高速范围内的高精度换相误差补偿。其中能否精确地换相影响了无位置传感器无刷直流电机运行性能。

所有的无位置传感器驱动方法都会受到换相误差的影响，无位置传感器无刷直流电机主要误差源有模/数转换器（Analog to Digital Converter, ADC）的量化误差、脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation Converter, PWM）死区时间、低通滤波器造成的延迟。

在方波驱动控制方式下，换相时二极管续流不可避免，续流造成端电压波形畸变，使端电压过零点位置发生改变，会产生超前的换相误差。而这些误差都会反映在换相瞬间，造成无位置传感器无刷直流电机换相不准确，如果换相误差过大，甚至会造成失步的现象，影响电机的正常运行，为此国内外诸多学者对其进行了广泛而深入的研究。

现在换相误差补偿方法可以分为两类：第一类是特定的误差源进行补偿，比如电枢绕组电压降和低通滤波器的换相误差的补偿，但是系统中还存在其他因素造成换相误差；第二类是通过电流或电压现

电动车后轮装有驱动电机，后轮突然不转，一定是电机的机械原因造成的“卡死”现象。检查电机机械卡死的原因，包括电机转子和轴承等。

自己可以试一下，手用力使车轮倒转，如果刹抱死，车轮倒转—圈刹就会松了。如果不行建议到维修电动车师傅那里，进行维修。

电动车电机简介：

电动车电机是指用于电动汽车的驱动电机。根据其使用环境与使用频率的不同，形式也不同。不同形式的电机其特点也不一样。

电动车电机普遍采用永磁直流电机。电动车电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷电机两大类；按照电机总成的机械结构来分，一般分为“有齿”（电机转速高，需要经过齿轮减速）和“无齿”（电机扭矩输出不经过任何减速）两大类。

直流电机在转动的时候，突然把它卡住，让电机停转,此时的状态相当于短路状态；

正常转动时，电机电流 I=(U-E)/Ra,其中 E=Ceφn,是电枢反电势，当将电机卡住、停转时，n=0，E=0，则此时电流 I=U/Ra，因电枢电阻很小，所以相当于短路了，电流很大，可达到额定电流的20-30倍。

基本原理

电动车无刷控制器主要由单片机主控电路、功率管前级驱动电路、电子换向器、霍尔信号检测电路、转把信号电路、欠电检测电路、限流/过流检测电路、刹车信号电路、限速电路、电源电路等部分组成，下面介绍主要电路的工作原理。

1 电子换向器

无刷电机与有刷电机的根本区别就在于无刷电机用电子换向器代替了有刷电机的机械换向器，因而控制方法也就大不相同，复杂程度明显提高。在无刷电机控制器中，用6个功率 MOSFET管组成电子换向器。MOSFET管VT1、VT4构成无刷电机A相绕组的桥臂，VT3、VT6 构成无刷电机B相绕组的桥臂，VT5、 VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂，在任何情况，同一桥臂的上下两管不能同时导通，否则要烧坏管子。

6只功率MOSFET管按一定要求顺次导通，就可实现无刷电机A、B、C三相绕组的轮流通电，完成换相要求，电机正常运转。在电动车无刷电机控制器中，这 6只功率管有二二通电方式和三三通电方式的运用，二二通电方式即每一瞬间有两只功率管同时通电，三三通电方式即每一瞬间有三只功率管同时通电。对于二二通电方式，功率管须按 VT1、VT2；VT2、VT3；VT3、VT4； VT4、VT5；VT5、VT6；VT6、VT1； VT1、VT2的通电顺序，电机才能 正常运转。对于三三通电方式，功率管须按VT1、VT2、VT3；VT2、VT3、 VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、 VT6；VT5、VT6、VT1；VT6、 VT1、 VT2；VT1、VT2 、VT3的次序通 电，电机才能正常运转。

2 功率管前级驱动电路

功 率管前级驱动电路用来驱动 电子换向器的 6 个 MOSFET管，由于6 个MOSFET管组成了 3个相同的桥臂， 对这3个相同的桥臂 的驱动电路是相同的，因而功率管前级驱动电路是由3组相同结构的电路组成，无刷电机是一典型的功率管前级驱动电路，对于一无刷控制器，有3个这样的电路，分别驱动3个桥臂。

3 单片机主控电路

单片机主控电路是无刷电机控制器的核心部分，电机的霍尔信号、转把信号、过流检测信号、刹车信号等都直接输入给单片机，由单片机进行处理，并由单片机输出电子换向器三个桥臂的前级驱动信号，以控制电机的运转，因而单片机主控电路是无刷电机控制器的心脏部分。单片机PIC16F72是目前电动车无刷电机控制器的主流控制芯片，无刷电机是用PIC16F72构成的无刷控制器的典型应用电路，包括了无刷电机控制器的各主要输入、输出信号，SPSIG端信号，该信号经过电阻R69和R68组成的网络送入单片机的第5脚，单片机根据该脚的电压信号变化，决定输出驱动信号的脉宽，从而决定电机的转速。目前市面上电动车的转把输出信号电压一般在1~42V，

它内部是由一个线性霍尔元件和一个磁 体组成，转动转把、磁体移动，霍尔元 件感应变化的磁场而输出变化的电压。

4 限速电路

限速电路是通过分压电阻，减小送入单片机的转把最高电压信号，从而限制了速度。如图4中把SPLIMT端接地，则R67与R68即组成分压电路，降低转把信号（SPSIG）送入单片机的5 脚的电压，从而限制了电动车的最高 转速。

5 霍尔信号检测电路

电阻R31~R36、电容 C16~C18组成霍尔信号检测输入电路，电阻R34~R36形成上拉电位，电容C16~C18起滤波作用，抑制干扰信号。单片机的15、16、17脚分别检测来自电机内的三路霍尔位置信号，以决定换相时刻。

6欠压检测电路

元件R70、R71、R72、 C23组成电池电压检测电路，检测值送入单片机的3脚，当该脚检测值低于某一数值时，可强迫无刷电机控制器不工作，从而起到保护电池的作用。

7刹车信号电路

对于电动自行车，当手把刹车时，单片机得到刹车信号，无刷电机控制器停止输出控制信号，电机断电，这称为刹车断电，对于有些无刷控制器，当单片机得到刹车信号时，则输出控制信号，强制电机抱住，使电机不能转动，这称为电刹车。目前市面上电动车的刹车信号有高电平刹车信号和低电平刹车信号两种，对于单片机一般只识别其中一种信号，如果采用电平转换电路，则可识别两种电平的刹车信号。在图4中，当BK信号端为低电平，则单片机第7 脚得到低电平刹车信号，通知无刷控制器完成刹车过程。当HBK端为高电平时，通过电阻R66、R81、R88及三极管VT20完成电平转换，三极管VT20 的集电极变为低电平，单片机第7脚为低，通知无刷控制器完成刹车动作。

8 电源电路

在无刷电机控制器中，一般需两组电源，一个是14V电源供功率MOSFET驱动用，另一个是5V电源，供单片机、电机霍尔、转把霍尔等电路用。14V电源一般由LM317调整管得到，5V电源一般由78L05得到。

9 限流/过流保护电路

限流保护是控制无刷电机控制器 在某一最大限定电流值下工作，对于 36V控制器，限流值一般在14±1A，对于48V控制器限流值一般在17±1A。限流保护其实又是过载保护，当上坡、载重必然引起负载加重、电流增大，但电流增大的极限就是限流值。IC6B（LM358）的运放与电阻R73、R74、R75、R76及RT 构成限流信号检测电路。R T为串接于 MOSFET管上的电阻丝，因为电机电流通过MOSFET管，也就流 过R T，当流过电机的电流变化，反应在 R T上就是R T两端电压的变化。当流过RT 的电流大到限定电流时，此时IC6的第 7脚输出约3V的电压，单片机PIC16F72 的 2脚得到3V电压时，则降低MOSFET 驱动输出信号的占空比，迫使流过电机 的电流下降，即R T上的电流下降，同时 R T上的电压下降，使得IC6的第7脚输出下降，如此动态调节，保证无刷电机控制器工作于限流值以下。过流保护是当电机电流达到限定电流时，无刷电机控制器电流仍在上升，则强迫停止电机供电。IC6A的运放和R59、R61、R62及R T构成过流保护检测电路。检测信号由IC6的1 脚输出，送入单片机的21脚。

维修要点

第一步：正确判断无刷电机控制器的各引出线功能。无刷电机控制器一般具备如下引 出线。

1 电机线——无刷电机控制器电机线有3根，称为A、B、C相线，一般黄线为A相，蓝线为B相，绿线为C相，但也有例外，这就要求维修者试着调换3根线的次序，直到电机运转正常。

2 电源线——无刷电机控制器电源线一般用3根线，其中一根细一些的线为锁线，它是给无刷电机控制器14V及 5V电源供电的，另外两根粗线（红、黑）给功率管供电。

3 限速线——国家标准规定电动车的最高限速 为20km/h，因此各无刷电机控制器厂 家生产的控制器出厂时都留有如图7 中的D号线，当插头插上，则电动车 限速为20km/h，符合国家标准，如断 开，则电动车速度将大于20km/h，方 便用户选择。

4 刹车线——刹车线连接到电动车的把手开关上，当刹车时开关动作，刹车信号送入单片机，执行刹车断电或刹车抱死动作。

5 速度线——速度线与电动车仪表盘中的速度表相连，在无刷电机控制器内它通过一限流电阻与电机的某一根相线相连。电机速度变化，反应在电机相线中电流变化，则在速度线中电流也变化，反应在仪表盘中就是速度的变化。

6 转把线——转把线连接到电动车转把内的霍尔上，转把线有3根线，分别为电源正、电源负和信号线，一般红线为电源正，黑线为电源负，信号线为蓝色。当转把转动时，转把内磁铁相对霍尔运动，产生由低到高的感应电压信号，该信号送入单片机，执行调速指令。

7 电机霍尔线——电机霍尔线与电机内霍尔相连，以决定电机换相时刻。霍尔线有5根线：红为正，黑为负，其余3根线为3 个霍尔信号，这3根线与电机相连，必须次序正确，否则电机不能正常运转，有时需反复调换这3根线与电机相连次序，直到电机运转正常。

第二步：目视检查打开无刷电机控制器。目视检查有无不良，重点检查各导线是否焊接良好，功率MOS管、14V 稳压管、大电解电容、单片机、振荡器是否焊接良好，要排除不良点。

第三步：在不通电情况下用万用表检查

1 先用万用表量外接电源端对地 阻抗是否正常，一般应大于 2kΩ。

2 分别测6个MOS管引脚间有无短路现象，此点较为重要，无刷电机控制器（如MOS管）较差，过流保护控制不佳或散热做得不好，往往会引起MOS管击穿。

3 检查电源稳压管LM317引脚间 有无短路现象。

4 测78L05与地间阻抗是否正 常，一般应大于15 kΩ。

第四步：在通电情况下测直流工作点 测 LM317 输出 （ 应为 14V ）、 78L05输出（应为5V）、转把线霍尔线、助力线、红线与黑线间电源（应 为5V）。

第五步：尝试通电运转

1 只连接电机线、霍尔线、转把线，保证正确连接后通电试着转动转把，先慢慢转动一小段位置（低速），看电机运转状态是否正常，如不正常，立即停机，重新检查。只有电机低速正常，方可逐渐提高速度，否则易损坏器件。

2 在电机运转正常情况下，检查 刹车、助力、速度表、欠压、限流等功能是否正常。

第六步：故障排除。有时故障现象是多方面因素造成的，因此，要善于透过现象看本质，逐一排除点，最后问题便迎刃而解。

总之，在初步掌握无刷控制器基本原理的基础上，按照以上所介绍的几点步骤维修，将会收到事半功倍的效果。

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