无位置传感器及控制系统研究的国内外文献综述

（一）无位置传感器的优势

在传统的无刷直流电机中，转子位置信号进行检测一般采用机械式位置传感器[4]。由于机械式位置传感器自身存在一些缺点，给无刷直流电机的控制带来了许多问题，限制了无刷直流电机的使用范围。使用位置传感器给无刷直流电机系统带来的影响主要有以下几点：

（1）位置传感器的存在增大了电机系统的体积，限制了无刷直流电机的应用范围；

（2）位置传感器的存在增加了电机系统的导线，外接的导线使系统易受到干扰；

（3）位置传感器对工作环境要求较高，高温、高压、湿度较大等恶劣的工况会其使灵敏性变差，从而降低了系统运行可靠性；

（4）位置传感器对安装精度要求较高，微小的机械安装偏差就会引起的换相的不准确，从而影响了电机的运行性能；

（5）位置传感器的使用显著增加了小容量电机的硬件投资；

为了克服使用位置传感器给无刷直流电机系统带来的问题，出现了许多无位置传感器控制技术。无位置传感器控制系统总的来说就是用软件编程算法功能代替通过机械装置获取电机转子位置信息，实现对电机在运行的过程的控制。无位置传感器控制通过软硬件实时估算出转子的位置和速度，取代了机械位置传感器，实现了电机的正常运行。由于省去了传统的机械式传感器，这种技术不但降低了系统的成本和硬件设计的复杂性，而且减小了传动机构的尺寸，减少了对维护的需求，克服了外界环境的影响，提高了系统的可靠性。因此，无位置传感器控制技术的研究具有十分重要的意义。相对于有位置传感器控制的是，无位置无刷直流电机控制具有以下几个优点。

（1）电机控制系统可靠性提高

对于小功率电机来说，大多数情况下采用霍尔位置传感器进行位置信号采集，但是在实际的工程中霍尔元件对安装和使用环境要求比较高，例如在高温，带静电环境下霍尔位置传感器可靠性降低，对转子位置检测会出现严重错误，而无位置无刷直流电机就可以解决恶劣环境下使用的问题。而且没有了位置传感器，制造成本减少，电机向外引出三根线，使其控制简单，扩大了无刷直流电机应用范围。

（2）电机及其控制系统的体积减小

带有位置传感器的无刷直流电机在制造过程中要在转子轴位置上预留空间放置位置传感器；无位置传感器无刷直流电机则不需要，因此在应用时其整个电机系统的体积就减小了，控制电路板上也不用预留多余的位置传感器的接口，只需将电机a、b、c三相三根线引出节上逆变器即可，使得整个控制系统体积变得更小，这样有利于无位置传感器无刷直流电机应用在一些特殊场合。

（3）电机制造周期缩短

由于没有了位置传感器，无刷直流电机在加工制造的过程中，需要专门预留位置传感器的安装空间和接线口，减小了电机生产周期，使得产生效益得到了提高。综上，采用无位置传感器控制无刷直流电机可以有效增加系统的可靠性，降低系统对环境的要求，并且可以缩小整个控制系统的体积，使得生产电机成本减小，所以研究无位置传感器无刷直流电机控制具有很重要意义。

（二）无位置控制的研究现状

无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究内容主要分为：电机的起动方法，转子位置检测方法。下面主要介绍转子位置检测部分的国内外研究现状。在无刷直流电机的控制中，电机转子位置的检测是无刷直流电机的控制中的关键所在。从无刷直流电机控制系统是否带有位置传感器方面来说，无刷直流电机控制方式分为有位置传感器控制和无位置传感器控制，有位置控制就是电机带有位置传感器。例如：霍尔位置传感器，旋转变压器等。

位置传感器控制是指通过测量电机绕组电流电压等可测信号，采用适当的方法计算后得到转子位置信号实现无刷直流电机的控制[6]。无位置传感器无刷直流电机控制系统中，电机位置检测是其控制核心，只有准确的获得电机转子位置信息，无位置传感器无刷直流电机才能发挥其特性。在实际实验中，能够直接获取的控制量只有相电压和相电流，所以位置检测主要是基于这两个控制量。无位置传感器对转子位置检测方法主要有反电势法，电感法，状态观测器法、以及人工智能法等方法[7]。

（1）反电势法

无刷直流电机的反电动势与转子位置存在一定的关系，通过检测电机的反电动势，从而可以得到转子位置信号，这就是反电动势法[8]。反电动势法是无刷直流电机最基本无位置控制技术，可以细分为反电动势过零法、反电动势积分法、续流二极管法和三次谐波法等方法[9]。

反电动势过零法通过检测三相绕组相电压来获得反电动势过零点信息，然后延30°电角度得到无刷直流电机的换相点[10-11]。该方法是最简单的无位置检测技术，但是由于无刷直流电机没有引出中线，相电压难以测量，需要重构电机中点[12]。然而采用重构中点的方法测得的相电压也与实际相电压存在误差。不仅如此，测得的反电动势过零点需要延迟30°，实际延时角度随电机转速变化而难以确定。基于线反电动