无刷电机的无传感器控制

许多应用都将受益于无传感器的无刷电机。这类电机控制可以通过不同的方式实现。由maxon所研发的一种新方法在精度和可靠性方面均树立全新的标杆。

驱动无刷电机时，需要通过控制电子装置来实现精确的换向。然而，这只有在控制电子装置始终“知道”转子的确切位置时才有可能。传统意义上，安装在电机内部的传感器，例如霍尔传感器等，可以提供这类信息。但也可以采用不同的方式进行。无传感器的控制方法可以通过来自电机的电流和电压信息确定转子的位置。然后可以根据转子位置的变化推导出电机转速，并将这一信息用于速度控制。另外，更先进的无传感器控制方法甚至可以控制电流（转矩）和位置。省去传感器具有很多优势，由于不再需要繁冗的导线、连接器和敏感的电路，从而可以降低成本并节省空间。

maxon的无传感器控制器采用三种基本原理，并且专门根据maxon BLDC电机的特点已进行调整。

原理1：过零点的EMF（电动势）法

用于确定过零点的电动势 (EMF) 方法是指在方波换向期间，使用非供电相中的感应电压（或EMF）。这个过零点发生在换向间隔的中间（图1）。根据之前的换向步骤，可以估算出至下一个换向点的延迟时间。

EMF过零点检测方法只在速度足够高时才有效，因为EMF在静止状态下会变为零。启动电机需要一个类似于步进电机控制的特殊过程，必须单独进行配置。真正的无传感器换向只有在电机转速为500–1000 rpm及以上时才可能实现。进行速度控制时使用的是换向阶跃频率。有限的反馈信息会对电机的动态性造成一定限制，但可以通过在控制算法中集成估算方法（例如观测器、卡尔曼滤波器等）来改善。当然，过零点EMF检测方法也有一系列优势：它适用于所有无刷电机型号，坚固耐用并且极具成本效益。这种方法已用在多种标准产品中，例如maxon ESCON Module 50/4 EC-S。

图1：过零点EMF检测方法的无传感器换向示意图，这里以相位3为例。

原理2：基于观测器的EMF方法

观测器或基于模型的EMF方法通过电机的电流信息来确定转子位置和转速。基于模型的方法可以显著提高转子位置的分辨率。如此便能实现正弦波换向（或FOC，磁场定向控制），并具有以下所有优势：效率更高，生热更少、振动和噪音更低。但是，基于观测器的EMF方法仍然需要达到几百rpm的最低转速才能正常运行。

原理3：磁各向异性法

基于磁各向异性法，可以根据电机的电感推导出转子位置，并且当磁通返回中的转子和定子的磁通量平行时，转子位置最小（图2）。通过短暂的电流脉冲可以实现测量，同时不会引起电机转动。与基于EMF的方法不同，这种方法也可以在静止或转速极低的情况下工作，同时允许进行正弦波换向。测量的信号主要取决于电机型号。必须在已针对每一台电机进行参数设置和调整的电机模型中，才能确定转子位置。因此，基于磁各向异性的控制器是高度特定的产品，并非简单的“即插即用”。评估转子位置所需的计算量也限制了最大转速。

图2：电感各向异性的示意图。在180度电角度处显示两个几乎相同的最小值。

为什么使用无传感器控制？

在各种价格敏感的应用中，使用无传感器电机可以降低成本，因为不再需要霍尔传感器、编码器、导线和连接器。典型的应用包括风扇、泵、扫描仪、铣刀、钻头和其他控制性能相对适中并且不需要严格控制启动的高速旋转应用。客户定制版本、以EMF算法为基础的控制器在批量生产上非常有意义。

实现高控制性能的同时优化成本

节省成本并不是选择无传感器控制的唯一原因。门驱动装置或自行车驱动装置等应用需要很高的控制器性能。电机启动时的无抖动显得尤为重要，同时也要极大程度地避免高动态性以及正弦波换向带来的噪音。这些都应该在不使用昂贵编码器的条件下实现。近年来，基于各向异性方法的高质量无传感器控制器已经获得稳定发展，其中包括maxon的新型高性能无传感器控制器（HPSC，见下文的内容）。然而，调整模型参数所需的工程设计工作量还需需要通过数以百计的批量生产才物有所值。

严苛的环境条件

当电机中需要避免使用易损的传感器电子装置时，也可能需要采用无传感器控制。例如，在极高或极低的环境温度条件、医疗技术中的清洁和消毒，或者航空航天、核设施或医疗环境中的电离辐射。同时，在空间有限的情况下，减少电机连接也更易于集成。

所需的控制精度取决于具体的应用。必须根据具体情况确定哪一种无传感器方法最为合适。例如，用于钻孔或打磨的手持式牙科工具需要很高的转速，而手术中的螺钉固定则应该在低转速和受控的转矩下进行。

结论

选择无传感器控制主要有三个原因：节省成本、节省空间以及在不适宜传感器的环境中运行。过零点的EMF检测方法广泛应用在各种高转速、成本敏感型应用中。在静止和低转速条件下的无传感器控制则需要更先进的方法。包括建模以及参数设置在内的实施工作量极大。如此，成本的节省反而显得次要。磁场定向控制可以实现更高的效率、更少的热量积聚以及更低的振动和噪声级。以上均为无传感器控制的优势，尤其在手持式医疗设备中更能发挥良好的作用。

maxon无传感器控制器

__maxon新研发的HPSC Module 24/5（高性能无传感器控制）是一个综合硬件和客户定制软件的平台。HPSC一直是一种定制化的解决方案，并不属于目录产品。这一研发成果的特殊之处在于：电机在静止和低转速时，优先采用基于磁各向异性的控制技术（原理3）。之后，当转速上升时，可以顺利过渡到基于观测器的EMF方法（原理2）。针对每一套驱动系统需要定制专门的模块固件。在一个特殊的微调过程中，会根据每台电机的“指纹”自动调整120多个参数。HPSC的一个典型用例便是maxon最新研发的手持式医疗工具。

__ESCON Module 50/4 EC-S是maxon产品目录中唯一列出的无传感器控制器（采用EMF方法和过零点检测的方波换向）。Sensorless Controller 24/1是最小型EC电机（直径最大约10 mm）的替代产品，但没有在目录或电子商店中列出。