1 无位置传感器无刷直流电机结构及功能
无位置传感器无刷直流电机包括有电动机本体、电子换向线路、位置检查及控制系统等多个部分，工作过程主要是通过电子换向线路、控制系统和特定的算法，实现了与传统直流电机相似的功能，但避免了电刷和换向器带来的磨损和噪音问题，提高了电机的效率和可靠性。
电动机本体又包含了定子与转子两个部分，定子通常由多相（如三相、四相、五相等）绕组组成，这些绕组通过电子开关线路与电源相连，定子绕组可以进一步分为梯形和正弦电动机，其中梯形电动机的驱动电流和反电动势均呈梯形形状。转子由永磁体（如稀土合金磁体，如钕(Nd)，钐钴(SmCo)和钕铁硼(NdFeB)）制成，按一定极对数（如2p=2, 4, ...）排列，极数可以在2到8个之间变化，北极(N)和南极(S)交替放置。
电子换向线路取代了传统直流电机中的电刷和换向器，通过逻辑处理产生相应的开关状态，以一定的顺序触发逆变器的功率开关，这些开关将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。
在无位置传感器的情况下，虽然没有直接的物理位置传感器，但仍需获取电动机的转子位置信号，通常通过算法或其他间接方式实现，以模拟位置传感器的功能[1]。
控制系统则主要由电力电子开关逆变器、控制器和转子位置检测电路（在无位置传感器时为相应的算法）组成，形成一个完整的“电动机系统”。该系统中，控制器根据位置检测电路（或算法）提供的转子位置信号，控制电力电子开关逆变器，将电源功率分配给定子各相绕组，实现无刷直流电机的运转。
2 无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动产生原因分析
由于无刷直流电机相电感的存在，电枢绕组电流从一相切换到另一相时会产生换相延时，从而形成电机换相过程中的转矩脉动。常见的换相转矩脉动产生原因包括以下几种：
（1）磁场不对称。无刷直流电机的定子通常由多个线圈组成，每个线圈的磁场在空间上理论上是对称的，然而由于制造工艺的限制，很难保证所有线圈的磁场完全对称，这种磁场的不对称性在换向过程中会导致转矩的变化，从而产生转矩脉动。
（2）电流波动。无位置传感器无刷直流电机的换向是通过电子开关的开闭来控制的，由于电子开关的开关时间存在不确定性，以及电源内阻等因素的影响，电流在换向过程中会出现波动，这种电流波动会直接导致转矩的变化，产生转矩脉动
（3）换相延时。无刷直流电机相电感的存在使电枢绕组电流从一相切换到另一相时会产生换相延时，换相延时在电机工作于120°导通方式下时尤为明显，会导致电机换相过程中的转矩脉动。对于一台制造精良的无刷电机，换相转矩脉动可以达到平均转矩的50%左右[2]。
（4）非理想反电动势波。当无刷直流电机的反电动势波形不是理想的梯形波，而控制系统依然按照理想梯形波的情况供给矩形波电流时，就会引起电磁转矩脉动，这种情况可能由于电机本身气隙齿槽、定子绕组的设计和制造误差造成。
（5）磁电因素。电磁转矩脉动主要由定子电流和转子磁场的相互作用产生。理想情况下，定子电流为方波，感应电动势为梯形波，平顶宽度为120°电角度，电磁转矩为恒值。但实际电机中由于设计和制造原因，很难保持这些理想状态，导致电磁转矩脉动的产生。
3 无位置传感器无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法
3.1 直接转矩控制法
直接转矩控制法首先通过测量电机的转矩和磁通来获取反馈信息，转矩通常通过测量电流和电压的关系得到，而磁通则通过测量电机的磁链或位置信息计算得出。然后根据设定的转矩和磁通参考值计算出转矩和磁通的误差值，这些误差值将用于后续的控制过程。基于转矩和磁通的误差值，直接转矩控制法选择合适的电压矢量来控制电机的转矩和磁通，通过调整电压矢量的幅度和相位来实现对电机转矩和速度的精确控制[3]。直接转矩控制法通过实时监测转矩和磁通的变化，在换相期间迅速调整电压矢量，以补偿由换相引起的转矩变化，从而减小或消除转矩脉动。这种方法具有高动态响应性，能够在短时间内实现高速启动、快速加速和减速，并实现稳定的转矩输出，能够有效地应对换相过程中转矩的突变，从而有效地抑制换相转矩脉动。
3.2 重叠换相法
重叠换相法是一种通过调整开关管的导通和关断时间，来补偿换相期间的电流跌落，进而抑制转矩脉动的方法。当达到理论上的换相时刻时，本应关断的开关管会延迟一段时间才进行关断，这一延迟是为了补偿电流在换相过程中的跌落，从而减小转矩脉动。同时下一相本应导通的开关管会提前一段时间进行导通，导通也是为了在换相期间补偿电流，保持电流的连续性，进而减小转矩脉动[4]。重叠时间是指延迟关断和提前导通的时间段，这个时间需要根据电机的具体情况和控制要求来精确计算和设定，如果重叠时间设置不当可能会影响到抑制转矩脉动的效果，甚至可能增大转矩脉动。
3.3 电流预测控制法
电流预测控制法是根据电机的物理特性和工作原理建立电机的数学模型，同时考虑逆变器的控制方式和PWM调制策略，建立逆变器的数学模型。并利用已建立的电机和逆变器数学模型，结合当前时刻的电机电流、电压、转速等参数，预测下一时刻的电机电流，预测方法可以采用线性预测、非线性预测等多种方法。在每个控制周期内，比较预测电流与实际电流的差值。并根据预测电流与实际电流的差值调整逆变器的PWM信号，如果预测电流大于实际电流增加PWM信号的占空比，提高电机电流[5]；反之则减小PWM信号的占空比，降低电机电流。电流预测控制法的性能受电机和逆变器数学模型准确性的影响，在建立模型时需要考虑各种因素的影响，如电机参数的变化、逆变器的非线性特性等。
结束语
总而言之，无位置传感器无刷直流电机控制系统采用先进的控制策略，如重叠换相法和电流预测控制法，有效抑制了换相转矩脉动，提高了电机的动态性能和稳定性。此外，系统还具备成本低廉、结构简单、实用性强等优点，为无刷直流电机的广泛应用提供了有力支持。
参考文献
[1]朱俊杰，黄海燕.无位置传感器无刷直流电机换相误差校正系统研究[J].仪器仪表学报，2021，42(04):41-49.
[2]李小龙.面向自动计量闸门的直流无刷电机驱动器设计[D].北方工业大学，2019.
[3]沈喆磊.无刷直流电机换相策略及转矩脉动抑制的研究[D].南京信息工程大学,2023.
[4]孙俊,顾明星,谢门喜,等.无位置传感器直流无刷电机高速方波驱动[J]. 电力电子技术,2023,57(03):15-18.
[5]王剑,闫子壮.无刷直流电机无位置传感器直接转矩控制[J].控制工程, 2023,30(03):487-493.