1 引言
無刷直流電機採用電子換向裝置代替了傳統直流電機的機械換向裝置，又具有與直流電機類似的機械特性，其磁鋼置於轉子上，通過不斷地變換定子繞組通電方式產生旋轉磁場驅動轉子轉動。由於轉子採用了永磁體結構，無刷直流電機具有體積小、重量輕、結構簡單的特點。隨著電力電子技術的發展，無刷直流電機的應用越來越廣泛。
快速有效地確定位置感測器和繞組間的相序關係是實現無刷直流電機調速功能的關鍵。
本文通過對三相無刷直流電機感測器位置、輸出訊號與繞組電動勢間的關係進行分析，提出了一種測定其相序的有效方法。
2 無刷直流電機基本控制方法
無刷直流電機的轉子磁鋼呈瓦片形，磁極與定子繞組間氣隙均勻，氣隙磁場呈梯形分布。定子繞組感應電動勢波形為梯形波。
無刷直流電機定子繞組通常採用三相星形接法，需要應用三相全橋控制電路，其驅動控制系統結構如圖1所示。
由v1～v6六隻功率管構成的驅動全橋可以控制繞組的通電狀態。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導通和三三導通兩種控制方式。由於兩兩導通方式提供了更大的電磁轉矩而被廣泛採用。
在兩兩導通方式下，每一瞬間有兩個功率管導通，每隔1／6週期即60°電角度換相一次，每只功率管持續導通120°電角度，對應每相繞組持續導通120°，在此期間相電流方向保持不變。為保證產生最大的電磁轉矩，通常需要使繞組合成磁場與轉子磁場保持垂直。由於採用換相控制方式，其定子繞組產生的是跳變的磁場，使得該磁場與轉子磁場的位置保持在60°～120°相對垂直的範圍區間。
功率管的換相信號需要從位置感測器的狀態得出，換相時刻也就是霍爾感測器的訊號狀態改變的時刻。因此霍爾感測器和三相繞組對應關係的確定對於電機的正確執行非常重要。
3 相序測定的實用方法
3.1 位置感測器安裝方式
位置感測器在無刷直流電機控制系統中起著非常重要的作用。它用於檢測轉子磁極的位置，為開關電路提供正確的換相資訊。
無刷直流電機常用的位置感測器是霍爾感測器，霍爾元件數通常與繞組相數相等，轉子磁鋼作為霍爾元件的勵磁磁場磁極。
為了產生正確的換向訊號，霍爾感測器安裝位置有一定要求，通常有120°安裝和60°安裝兩種方式，如圖2所示。
以霍爾感測器安裝方式為120°為例，位置感測器輸出波形、電機定子繞組通電電流和反電動勢相位關係如圖3所示。
以位置感測器的訊號狀態區分，將無刷直流電機的執行狀態分割為6個狀態。各功率管導通區間如圖3所示。
兩種位置感測器安裝方式在本質上是相同的，在電機旋轉過程中，都將360°電角度分割為6種狀態，其中60°安裝方式可以認為是將120°安裝時的乙個霍爾元件反轉180°安裝，各元件換相時刻均相同。在換相控制中，將三個霍爾感測器的輸出訊號狀態的組合作為狀態控制變數，例如在圖3所示的第乙個執行區間內狀態控制變數為h1 h2 h3(101)。在不同安裝方式下各霍爾元件產生不一樣的狀態控制變數。
在120°安裝下，3個位置感測器訊號組成的控制變數為001-110。60°安裝狀況下，將出現000和111的狀態變數，而缺失中間的兩個狀態，因而他們的換相控制表是有區別的。通過觀察霍爾感測器是否出現111和000的狀態就可以判定霍爾感測器是哪種安裝方式。
3.2 相序測定方法
三相星形連線的無刷直流電機，其繞組等效模型如圖1所示。做如下假設，無刷電機三相完全對稱，磁路不飽和，不計磁滯和渦流損耗。三相繞組的電壓平衡方程則如式(1)所示：
其中ua，ub，uc為相電壓，e為各相繞組反電動勢，i為流過各相繞組的電流，un為三相繞組中點電壓。l為三相繞組互感與自感的合成電感。
在無刷電機三相繞組均為開路的情況下，即ia=ib=ic=0，我們可以得到下面的結論。
其中uba和uca為三相繞組的線電壓。從式(2)，式(3)中可以看到，在三相繞組開路的情況下，上面的兩個量可以用反電動勢表示。
對於反電動勢的相位關係，由圖3中做進一步的推導，可以得出如圖4所示的相位關係。依據這一相位圖，可以清楚地分辨出各位置感測器與各相繞組間的相位關係，三相繞組間的電位關係也可以判定，根據圖4同樣可以測定三相繞組間的關係。
對於60°安裝的位置感測器可以按照上面的方法得出類似的相位圖，用於測定相序。
4 實驗驗證
使用一台無刷直流電機來驗證前文提出的方法。實驗電機型號為：57bl-3030h1-ls-b。
額定轉速為3 000 rpm，極對數為5，採用開關霍爾感測器作為位置感測器，位置感測器為120°安裝方式。
在實驗中，首先確定任一繞組作為a相參考繞組，轉動電機，用示波器測量另外兩相與a相間線電壓的相位關係，得到的線電壓波形如圖5所示。對比圖4，兩個線電壓波形的相位領先的則為uba，據此可以快速確定b相和c相。
然後以銘uba為參考相位，分別測量三個霍爾感測器與uba的相位關係，其中乙個波形如圖6所示。對比圖4，可以確定此位置感測器為a相繞組所對應，另兩個位置感測器以同樣的方法確定。
5 結語
本文提出僅通過對電機進行簡單測量即可快速有效確定無刷直流電機相序的測定方法，實驗驗證了該方法是有效的。
無刷直流電機通常情況下轉子磁極採用瓦型磁鋼，經過磁路設計，可以獲得梯形波的氣隙磁密，定子繞組多採用集中整距繞組，因此感應反電動勢也是梯形波的。無刷直流電機的控制需要位置資訊反饋，必須有位置感測器或是採用無位置感測器估計技術，構成自控式的調速系統。控制時各相電流也盡量控制成方波，逆變器輸出電壓按照有刷直流電機pwm的方法進行控制即可。
本質上，無刷直流電機也是一種永磁同步電動機，調速實際也屬於變壓變頻調速範疇。
通常說的交流永磁同步伺服電機具有定子三相分布繞組和永磁轉子，在磁路結構和繞組分布上保證感應電動勢波形為正弦，外加的定子電壓和電流也應為正弦波，一般靠交流變壓變頻器提供。永磁同步電機控制系統常採用自控式，也需要位置反饋資訊，可以採用向量控制（磁場定向控制）或直接轉矩控制的先進控制方式。
兩者區別可以認為是方波和正弦波控制導致的設計理念不同。最後明確乙個概念，無刷直流電機的所謂「直流變頻」實質上是通過逆變器進行的交流變頻，從電機理論上講，無刷直流電機與交流永磁同步伺服電機相似，應該歸類為交流永磁同步伺服電機；但習慣上被歸類為直流電機，因為從其控制和驅動電源以及控制物件的角度看，稱之為「無刷直流電機」也算是合適的。
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