在油田的勘探、建井、采油等几个阶段都需要大量的钻井工作,提高钻井效率能有效缩短开采周期、降低开采成本。无刷直流电机(BLDC)具有体积小、效率高、调速范围广等优点,将多极无刷直流电机直接与钻头相连,不仅具有启动转矩大、过载能力强、输出转矩大等优点,还能省去高温下易损坏的减速机构,有效的提高了系统的负载应变能力,减小了系统体积,提高了系统效率。无刷直流电机的极对数越多,一个电角度周期对应的机械角度也就越小,转子位置检测的精度要求也就越高,对传统的位置传感器的安装精度要求也就越苛刻。即极对数越多,安装误差对换相的影响越大,另一方面,位置传感器在井内高温下易损坏,使用受限。因此,研究适用于多极直驱式无刷直流钻井电机的无位置传感器转子位置检测方法具有重大意义。本文以多极直驱式无刷直流钻井电机无位置传感器高精度换相为研究目标,在低转速、高温、高压、泥沙、负载多变的工况条件下进行了以下研究工作。针对电机低转速域的换相问题,采用理论上与转速无关的磁链函数法进行转子位置检测。主要分析了磁链函数法的原理,基于线反电对势磁链函数换相点的特征变化进行了定性分析。为了降低磁链函数对电机固有参数的依懒性,对磁链函数进行了适当的简化。针对简化后的磁链函数波形存在换相干扰脉冲的问题,提出对磁链函数分子分母电压项进行滤波处理,消除换相干扰脉冲的优化方案。分析了由滤波带来的相位滞后的影响,得出在低转速域,由滤波带来的换相延迟可以忽略不计的结论。为了实现电机的高精度换相,设计了基于非换相相电流的换相阈值闭环控制。通过检测非换相相电流换相前后的误差,将其反馈给换相阈值,在线实时调整换相阈值,实现电机的换相误差补偿。最后在仿真环境中进行验证,得出以下结论:直接采用简化磁链函数法会使电机产生误换相、停转;采用优化磁链函数法可以实现电机的准确换相,无误换相现象发生;加入换相阈值闭环控制后,电机的非换相相电流在换相前后波动减小,间接的证明了电机换相误差得到补偿。为了验证电机采用优化磁链函数法在井内高温、高压、泥沙、负载多变的环境下能够正常运行,将换相阈值闭环控制与双闭环控制相结合,对电机控制算法程序进行编写,搭建了电机测试实验平台以模拟井下环境,最后在实验样机上烧写控制程序,在电机测试实验平台上进行电机运行性能和机械特性的测试。验证了仿真结论,同时表明优化磁链函数法在电机实际控制中有比较好的效果,换相阈值闭环控制有效补偿了换相误差。