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      無位置傳感器無刷直流電機換相誤差校正的新方法

      2020-06-17

      無位置傳感器無刷直流電機換相誤差校正的新方法

          無刷直流電機因其具有高效率、高功率密度等特點,在許多工業領域得到了廣泛的應用,無刷直流電機通常利用霍爾傳感器提供轉子六個關鍵位置信息,但是安裝在電機中的霍爾傳感器引出線較多,且容易受到溫度及外部電磁環境的干擾,使整個系統的可靠性降低,影響電機的運行。因此無位置傳感器驅動技術已成為無刷直流電機高性能領域的熱點。

          目前已經研究出多種實現無位置傳感器驅動方案,主要包括反電動勢(Electromotive Force, EMF)法、續流二極管法、磁鏈估計法以及3次諧波法等,其中以反電動勢法經濟簡便。無位置傳感器無刷直流電機反電動勢法可以分為三類:直接反電動勢檢測、間接反電動勢檢測和模型估計法。

          無位置傳感器無刷電機依然存在很多問題,比如電機的起動、低速范圍內的轉子位置檢測和中高速范圍內的高精度換相誤差補償。其中能否精準地換相影響了無位置傳感器無刷直流電機運行性能。

          所有的無位置傳感器驅動方法都會受到換相誤差的影響,無位置傳感器無刷直流電機主要誤差源有模/數轉換器(Analog to Digital Converter, ADC)的量化誤差、脈沖寬度調制技術(Pulse Width Modulation Converter, PWM)死區時間、低通濾波器造成的延遲。

          在方波驅動控制方式下,換相時二極管續流不可避免,續流造成端電壓波形畸變,使端電壓過零點位置發生改變,會產生超前的換相誤差。而這些誤差都會反映在換相瞬間,造成無位置傳感器無刷直流電機換相不準確,如果換相誤差過大,甚至會造成失步的現象,影響電機的正常運行,為此國內外諸多學者對其進行了廣泛而深入的研究。

          現在換相誤差補償方法可以分為兩類:一類是特定的誤差源進行補償,比如電樞繞組電壓降和低通濾波器的換相誤差的補償,但是系統中還存在其他因素造成換相誤差;第二類是通過電流或電壓現象來檢測換相誤差,這類方法的中心思想是檢測被偏移的換相點而影響到電壓和電流信號,經運算得到換相點的偏移角度,通常需要更高的ADC采樣頻率和更大的計算量,但是經補償后的換相位置更接近換相位置。

          有學者提出了重載條件下無位置傳感器無刷直流電機驅動換相續流對于換相點的影響,并提出一種線下檢測及超前誤差補償的方法。但是這種方法得出的換相誤差角度函數與續流角度有關,需要在線下測得電流續流角度,不能實時校正系統誤差。

          有學者提出一種基于虛擬中性點電壓積分的閉環補償算法。換相點之前和之后的相鄰60°間隔之間的積分差被用作PI調節器的反饋以自動補償誤差,但是這種方法需要構造虛擬中性點,并引入了新的硬件電路。

          有學者介紹了一種利用同一導通周期前后30°相電流積分差來檢測換相誤差的方法,但是這種方法獲得的換相誤差角度函數與系統參數相關,并且得到的積分差值與換相誤差角度成非線性關系,因此補償系統的穩定性對系統參數變化敏感,并且其積分邊界為導通相的前后30°區域,積分邊界的確定使系統的復雜性增加,還會增大測量誤差。

          有學者介紹了一種利用換相前后采樣的換相點位移與直流電流的差值來檢測換相誤差角的方法,研究對象為高速低電感電機,電機的電感和電機的續流時間可以忽略,因此不必考慮續流對換相點以及誤差角度檢測的影響,但是這種方法不適用于續流現象明顯的電機,具有局限性。

          哈爾濱工程大學自動化學院的研究人員在利用線電壓差檢測反電動勢過零點方法的基礎上,分析了換相誤差和續流對線電壓差積分值的函數關系,并提出一種廣泛適用于無位置傳感器無刷直流電機換相誤差校正的方法。這種方法不需要重新構造電機中性點,積分邊界信號由功率管開關信號所決定,且得到的積分值與換相誤差具有良好的線性關系,補償算法簡單易于實現,增加了補償系統后,可以使電機在理想換相位置處換相,提升了電機的工作性能。實驗結果表明了理論的正確性及所提出的補償方法的有效性。

      研究者得到結論如下:

          1)由理論分析可知,換相誤差角度和線電壓差積分值d以及關斷相相電流成函數關系。

          2)根據所得結論,提出一種新型校正方法,這種方法以控制線電壓差積分值d =0為目標,通過調整過零點的延時角度,校正無刷直流電機的換相位置,以實現電機的精確換相。

          3)與其他方法相比,該方法具有積分區間易于確定,不需要重新構造中性點,能夠實時補償和校正,方法簡單,容易實現等優點。

          4)經實驗驗證,所提出的方法可以準確地檢測換相誤差角度,并有效地補償無刷直流電機的換相誤差,提高電機換相的精度。該方法具有廣泛的適用性,具有一定的應用價值和較好的前景。


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