南京航空航天大學自動化學院、諾丁漢大學電氣與電子工程學院的研究人員，在2018年第13期《電工技術學報》上撰文指出，無刷直流電機（Brushless DC Motor, BLDCM）因具有功率密度高、效率高、控制簡單等優點而得到了廣泛應用。驅動無刷直流電機的轉子位置信號一般由安裝在電機定子上的霍爾傳感器給出。

位置傳感器的機械安裝限制了BLDCM在較惡劣環境下的應用，增加了系統成本，降低了可靠性。因此無位置傳感器技術已成為研究熱點[1,2]。此外，BLDCM存在轉矩脈動大的問題，大的轉矩脈動會影響電機性能，產生振動噪聲，損壞電機軸承，減小電機壽命。

針對BLDCM無位置傳感器運行，國內外學者進行了很多相關的研究。文獻[3]提出了從空閑相端電壓中檢測出反電動勢過零點來得到轉子位置信號，該方法原理簡單，低速和靜止時反電動勢難以檢測，因此不適用于低速。同時，由于換相點與相反電動勢過零點相差30°電角度，在檢測到相反電動勢過零點后需移相30°電角度換相。

文獻[4]提出了從零序電壓中檢測出反電動勢過零點來得到轉子位置信號，該方法適用于非理想反電動勢的BLDCM，可產生不依賴于轉速的時移，但濾波器和速率限制器的設計復雜。文獻[5,6]提出了用線反電動勢過零點來檢測轉子位置的方法，該方法無需移相30°電角度，同時也擴大了轉速適用范圍，但低通濾波器引起的相移影響了轉子位置解算的精確度。文獻[7]采用反電動勢積分法，通過將反電動勢積分和閾值比較得到轉子位置信號，該方法需要根據反電動勢信息解析計算閾值，同時在低速時存在積分累積誤差問題。

文獻[8]采用三次諧波法，將三次諧波反電動勢積分得到轉子磁鏈的三次諧波分量，轉子磁鏈的三次諧波分量的過零點與換相點一致，從而得到換相信號。該方法需要電機相反電動勢中含有明顯的三次諧波。文獻[9]采用續流二極管法，對于PWM調制的BDLCM，續流二極管會使得空閑相被鉗位到母線或地線上，當檢測到空閑相續流二極管流過電流時，則對應著空閑相反電動勢過零點的位置。但該方法需要額外的電路以及隔離電源檢測續流二極管的狀態，增加了系統的復雜性。

文獻[10,11]采用磁鏈觀測法，通過相電壓、相電流、繞組電阻、電感等參數解算定子磁鏈向量，從定子磁鏈中減去電樞反應磁鏈，得到轉子磁鏈向量，從而檢測到轉子位置。由于觀測中存在積分環節，受到累積誤差和積分飽和的影響。文獻[12]采用高頻脈沖注入法，利用定子電感飽和特性，通過注入電壓脈沖，比較電流響應，估測轉子位置。該方法需要電機具有凸極性。

此外，學者們對用觀測器檢測轉子位置進行了研究，常用的觀測器有卡爾曼濾波器[13]、滑模觀測器[14]等。

BLDCM的轉矩脈動主要分為齒槽轉矩脈動、PWM斬波引起的脈動、換相轉矩脈動[15]以及反電動勢非梯形波引起的轉矩脈動[16]。由于電機制造工藝偏差、永磁體充磁不理想等問題，大部分BLDCM的反電動勢不是理想的梯形波，接近于正弦波[17]。為了抑制反電動勢非梯形波引起的轉矩脈動，文獻[18]采用最優電流控制，通過實時檢測反電動勢，通入與反電動勢相抵消的電流；文獻[19]采用直接轉矩控制，將瞬時轉矩作為被控對象。以上兩種方法都避免了方波電流控制引起的轉矩脈動，但均需轉子的實時位置或者反電動勢信息，算法復雜。

文獻[20]為解決上述問題提出了平均轉矩控制相關算法，通過控制每個開關周期內輸入系統的能量相等抑制轉矩脈動。該方法適用于任意反電動勢波形的BLDCM，無需轉子實時位置和反電動勢信息。

以上分別介紹了BLDCM的兩個研究熱點，即無位置傳感器運行和轉矩脈動抑制。但學者們都只是分別對某一方面進行了研究。

本文針對目前大部分BLDCM的反電動勢非理想梯形波接近于正弦波的現狀，對無位置傳感器運行算法進行研究，在平均轉矩控制抑制轉矩脈動的基礎上，分析了當反電動勢接近于正弦波時平均轉矩控制下的電流波形特性，提出了基于平均轉矩控制的無位置傳感器運行方法，從母線電流中檢測到轉子位置信息實現換相。

該方法可以同時實現無位置傳感器運行和抑制非理想反電動勢引起的轉矩脈動。另外，該算法在平均轉矩控制的基礎上無需增加硬件，僅采用一個電壓傳感器和電流傳感器，節約成本，算法簡單，通過仿真和實驗驗證了算法的可行性。

圖11 BLDCM實驗平臺