无刷直流电机无感起动设计：电压脉冲注入定位起动算法详解

无刷直流电机（BLDC）在静止与低速时反电势为零，无法自起动，必须先用位置估计算法把转子"找出来"再切入反电势闭环。本文详解电压脉冲注入定位起动算法：利用插入式永磁转子的凸极性，向绕组注入开关电压矢量，通过采样电流响应估计转子初始位置（30kW样机试验误差小于 5° 电角度），再以长短脉冲交替驱动电机带负载加速，当预估换相时刻与真实换相时刻连续 3 次一致时平滑切换至反电势闭环运行（切换转速约 180 r/min、为额定转速的 12%）。该方法对嵌入式电机驱动、水泵风机、电动工具、物联网智能终端等无感 BLDC 方案的起动设计具有直接参考价值，本文基于《一种基于电压脉冲注入的对转无刷直流电机起动方法》（《鱼雷技术》2013 年第 21 卷第 2 期，杜军等）等资料整理优化。

一、情境：位置传感器为何要被拿掉

无刷直流电机依靠转子位置信号产生换相控制逻辑，驱动逆变器功率管按 60° 电角度间隔换相，才能输出持续转矩。位置信号传统上由装在电机内部的霍尔传感器或编码器获得，但位置传感器的存在带来三方面代价：一是增加电机结构复杂度、接线与装配成本；二是传感器本身成为新的故障点，在高温、振动、油污环境中失效率明显上升；三是传感器精度与安装一致性直接影响换相相位，制约系统可靠性。因此，无位置传感器控制技术一直是电机驱动领域的研究重点，其目标是用电压、电流信息在软件中重构转子位置，从而去掉物理传感器。

二、冲突：反电势法天生无法自起动

目前最成熟、应用最广泛的无感方案是反电势法：检测不导通相的过零点来推算换相时刻。但反电势的幅值与转速成正比，电机静止或低速时反电势为零或极弱，根本无法提取位置信息——也就是说，反电势法无法实现电机自起动，必须先用专门的起动方法把电机拉起来，待转速达到一定值后再切换至无位置传感器控制。文献中常见的起动方法主要有三种，各自都有明显短板，对比见表 1。

三段式起动在负载较轻时尚能工作，但电机一旦带较大负载或转动惯量较大，开环强拉极易失步甚至反转；预定位法在强拉瞬间同样存在转矩冲击。对于需要带负载可靠起动、不允许反转的工程场景（水泵、压缩机、电动工具、风机等），需要一种既能在静止时估计出转子位置、又能平稳加速的起动算法——这正是本文电压脉冲注入法的设计目标。

三、原理：凸极性、电压空间矢量与电流响应

电压脉冲注入法的物理基础是凸极性。插入式（IPM）永磁转子的永磁磁极与铁心的磁导率不同，使得电机绕组自感、互感随转子位置呈周期性变化。因此，从不同方向对电机施加电压空间矢量时，即使电压幅值与作用时间相同，绕组中产生的电流响应幅值也会因电感不同而不同——测量这一差异就能反过来估计转子位置。

正常运行时无刷直流电机为三相两两导通方式，每一瞬间有 2 个功率管导通。用逆变器 6 个功率开关管的开关状态（6 位二进制数）可以完整描述电压空间矢量：约定 1 表示功率管导通、0 表示关断，6 个非零电压空间矢量 V1~V6 的开关状态见表 2。

每个非零矢量在定子中产生固定方向的合成磁动势，其电流响应幅值与该方向绕组电感成反比；比较不同方向矢量的电流响应，即可锁定转子 N 极所在区间。

四、初始转子位置估计：两阶段定位到 5° 精度

初始位置估计分两个阶段：第 1 阶段先把转子相对位置初步定位在 30° 精度范围内，向电机依次注入若干开关电压矢量，根据电流响应确定转子 N 极所在的 30° 扇区；第 2 阶段利用 N 极附近 3 个开关电压矢量电流响应的特点（电流幅值最小方向对应 N 极方向），进一步提高估计精度。试验中先用直流电流把转子强拉到 60° 和 120° 两个已知位置，再执行估计算法，结果见表 3：估计误差均小于 5° 电角度，完全满足起动需求（数据来源：鱼雷技术 2013 年第 21 卷第 2 期）。

五、加速过程：长短脉冲交替与换相判断

转子初始位置确定后进入加速阶段。如果仍然沿用初始定位时的做法，在每个换相区间注入多个开关电压矢量来获取位置，会带来两个问题：一是部分矢量产生的电磁转矩方向与旋转方向相反，对加速不利；二是转速升高后换相时间缩短，在较短的换相周期内注入多个矢量的难度增大。因此改进方案采用长短脉冲交替：在一个导通区间内注入一组作用时间不同的开关电压矢量，短脉冲（250 µs）作为位置检测辅助脉冲，长脉冲（750 µs）作为加速脉冲，同时兼作位置检测。一个电周期内长短矢量按表 4 组合。

换相判断的依据是：在相同作用时间（250 µs 时刻）比较长、短两个矢量产生的电流响应。随着转子旋转，绕组电感持续变化：当辅助脉冲 250 µs 处的电流响应仍大于加速脉冲的电流响应时，说明尚未到达换相时刻；一旦辅助脉冲的电流响应开始小于加速脉冲，立即执行换相——把当前位置检测辅助脉冲改为加速脉冲，并把下一区间能产生最大电磁转矩的开关电压矢量设为新的位置检测辅助脉冲。核心判断逻辑如下。

// 无感 BLDC 电压脉冲注入起动：换相判断（伪代码，C 语言风格）
#define TS_SHORT_US  250    // 短脉冲（位置检测辅助）作用时间
#define TS_LONG_US   750    // 长脉冲（加速脉冲）作用时间

void CommutationJudge(void)
{
    // I_aux: 短脉冲在 250us 时刻的电流采样值
    // I_acc: 长脉冲在 250us 时刻的电流采样值
    if (I_aux >= I_acc) {
        // 尚未到达换相时刻，继续当前导通区间
        KeepCurrentVector();
    } else {
        // 辅助脉冲电流响应已小于加速脉冲：执行换相
        Vector_t next_acc  = Table_NextAccVector();      // 下一区间加速矢量
        Vector_t next_aux  = Table_NextAuxVector();      // 下一区间辅助矢量
        ApplyVector(next_acc);                            // 切换为新的加速脉冲
        SetAuxVector(next_aux);                           // 装载新的位置检测辅助脉冲
    }
}

加速过程中，位置检测辅助脉冲的电流响应幅值会随转速升高逐渐减小——这既是转子位置变化导致绕组电感变化的结果，也叠加了绕组反电动势的影响；由于此时转速仍然较低，反电动势对电流响应幅值的影响有限，不影响换相判断。

六、切换条件：连续三次一致切入反电势闭环

电机加速到一定转速后，需要从开环起动切换至反电势法无位置传感器闭环运行，切换条件设计得既简单又可靠：每次施加长开关电压矢量时，用反电势法估算出"预估换相时刻"；同时通过两个相邻开关电压矢量的电流响应判断出"真实换相时刻"。将两者比较，若连续 3 次检测到二者相等，即认为反电势信号已经可靠，把预估换相时刻作为真实换相时刻控制电机运行，完成切换。

切换后的转速估计采用换相控制信号的时间间隔换算：测量两次换相控制信号的时间间隔即可估计转子转速。由于加速过程中换相控制脉冲与实际换相信号存在相位差，该阶段转速估计误差较大；进入闭环后估计值与实际值迅速接近，满足控制要求。切换转速约 180 r/min，仅为额定转速的 12%，反电势幅值足以支持过零检测。

七、试验验证与工程要点

作者在一台 30 kW 对转无刷直流电机（双转子、插入式永磁体，用于水下推进）上完成了验证：转子初始位置估计注入电压矢量幅值 300 V、作用时间 250 µs；在 50 N·m 恒定负载下电机从静止起动到 900 r/min 稳定运行，全程转速平稳、无振荡、无反转，可靠性得到验证。试验参数汇总见表 5。

移植到工程产品的四点建议：一是逆变器必须配置母线电压与相电流采样（本文算法依赖 250 µs 时刻的电流响应对比，电流采样带宽应至少覆盖 4 kHz 以上的开关纹波）；二是起动阶段的电流响应判断要在 AD 转换后做滤波与去偏置处理，避免采样偏移导致误换相；三是长、短脉冲的作用时间需按母线电压与电机电感标定，母线越低、电感越大，脉冲应适当加宽；四是切换阶段转速设定值应逐步加大，防止由开环突切闭环引起电流冲击。

总结：无感 BLDC 起动的本质是"先定位、再加速、后切换"三步走——利用插入式永磁转子的凸极性注入电压矢量、比较电流响应估计转子位置，以长短脉冲交替实现带负载加速，连续三次预估与真实换相时刻一致即切入反电势闭环；30 kW 样机证明该方法定位误差小于 5° 电角度、全程无振荡无反转。工程人员在设计无感电机驱动时，可参照本方法解决从静止到闭环的"最后一公里"难题。

本文基于《一种基于电压脉冲注入的对转无刷直流电机起动方法》（《鱼雷技术》2013 年第 21 卷第 2 期）等资料整理优化。