Asymmetric Voltage Vector-Based Initial Rotor Position Detection in Four-Switch Inverter Fed BLDC Motors

Xinmin Li1,2; Kun Liu1; Lu Zhou3; Tingna Shi4; Wei Chen*1,2

1.Tiangong University, Tianjin, China

2.Zhejiang University Advanced Electrical Equipment Innovation Center, Hangzhou, China

3.Tianjin University, Tianjin, China

4.Zhejiang University, Hangzhou, China

X. Li, K. Liu, L. Zhou, T. Shi and W. Chen, "Asymmetric Voltage Vector-Based Initial Rotor Position Detection in Four-Switch Inverter Fed BLDC Motors," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 1, pp. 77-86, March 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00005.

摘 要

在由四開關三相（FSTP）逆變器供電的無位置傳感器無刷直流（DC）電機（BLDCM）中，只有兩相被完全控制，而剩余的相則連接到分體式直流鏈路電容器的中點。基于電感的初始位置檢測所需的電壓脈沖會導致串聯電容器的不均勻放電，使中性點電壓偏離直流鏈路電壓的一半（Udc/2）。這種中性點漂移破壞了逆變器電壓矢量的空間對稱性，因此在初始轉子位置檢測期間，360°電周期不能再被均勻地劃分為六個扇區。為了解決這個問題，本文提出了一種檢測脈沖注入序列，該序列明確地考慮了FSTP逆變器的不對稱電壓矢量。通過所提出的順序，可以在30°的電氣扇區內識別初始轉子位置。該方法不需要額外的電壓或電流傳感器，實驗結果證實了其可行性。

Abstract

In position-sensorless brushless direct current (DC) motors (BLDCMs) fed by a four-switch three-phase (FSTP) inverter, only two phases are fully controlled, while the remaining phase is tied to the midpoint of the split DC-link capacitors. The voltage pulses required by inductance-based initial position detection can cause unequal discharge of the series capacitors, shifting the neutral-point voltage away from half of DC-link voltage (Udc/2). This neutral-point drift breaks the spatial symmetry of the inverter voltage vectors, so the 360° electrical period can no longer be evenly partitioned into six sectors during initial rotor position detection. To address this issue, this paper proposes a detection-pulse injection sequence that explicitly accounts for the asymmetric voltage vectors of the FSTP inverter. With the proposed sequence, the initial rotor position can be identified within a 30° electrical sector. The method requires no additional voltage or current sensors, and experimental results confirm its feasibility.

使用具有容錯能力的傳統SSTP逆變器的BLDCM驅動器

作者信息

李新旻(Member, IEEE)，1989年出生于湖南。于2011年獲得北京科技大學自動化學士學位，并于2017年獲得天津大學電氣工程博士學位。他目前是浙江大學先進電氣設備創新中心的教授，也是天津工業大學電氣工程學院的教授。他的研究興趣包括電機和電機驅動器、電動汽車的電動驅動系統、電力電子和風力發電技術。

劉坤，2001年出生于四川。于2023年獲得天津工業大學電氣工程與自動化學士學位。他目前正在天津工業大學攻讀電氣工程碩士學位。他的研究興趣包括電機、電機驅動器和電力電子。

周璐，1992年出生于安徽。于2015年獲得銅陵學院電氣工程與自動化學士學位，2018年獲得太原理工大學儀器科學與技術碩士學位，2024年獲得天津大學電氣工程博士學位。他目前是中國電子科技集團公司第四十三研究所的一名工程師。他的研究興趣包括電機驅動和電力電子。

史婷娜（Senior Member，IEEE），1969年出生于浙江余姚。分別于1991年和1996年獲得浙江大學的學士和碩士學位，并于2009年獲得天津大學的博士學位，均為電氣工程專業。她目前是浙江大學電氣工程學院的教授。她目前的研究興趣包括電機及其控制系統、電力電子和電力驅動。

陳煒(Member, IEEE)，1977年出生于中國山西。分別于2000年、2003年和2006年獲得天津大學電氣工程學士、碩士和博士學位。他目前是天津工業大學電氣工程學院的正教授，中國電機系統設計與制造國家地方聯合工程研究中心主任。他的研究興趣包括電機和驅動器，以及電力電子。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

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