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无位置传感器无刷直流电机换相误差校正的新方法
作者: 编辑:输配电 来源:《电工技术学报》 日期:2021-03-19 浏览量:

(转自: 电气技术杂志社  http://www.cesmedia.cn/html/report/21030789-1.htm)导语:针对无位置传感器无刷直流电机运行时存在换相误差的问题,哈尔滨工程大学自动化学院的研究人员姚绪梁、林浩、鲁光旭、王景芳、赵继成,在2019年第22期《电工技术学报》上撰文,提出一种基于线电压差积分的无位置传感器无刷直流电机换相误差校正方法。与传统换相补偿方法相比,该方法不需要重新构造电机的虚拟中性点,积分边界容易确定,补偿算法简单。

无刷直流电机因其具有高效率、高功率密度等特点,在许多工业领域得到了广泛的应用,无刷直流电机通常利用霍尔传感器提供转子六个关键位置信息,但是安装在电机中的霍尔传感器引出线较多,且容易受到温度及外部电磁环境的干扰,使整个系统的可靠性降低,影响电机的运行。因此无位置传感器驱动技术已成为无刷直流电机高性能领域的热点。

目前已经研究出多种实现无位置传感器驱动方案,主要包括反电动势(Electromotive Force, EMF)法、续流二极管法、磁链估计法以及3次谐波法等,其中以反电动势法最为经济简便。无位置传感器无刷直流电机反电动势法可以分为三类:直接反电动势检测、间接反电动势检测和模型估计法。

无位置传感器无刷直流电机依然存在很多问题,比如电机的起动、低速范围内的转子位置检测和中高速范围内的高精度换相误差补偿。其中能否精确地换相影响了无位置传感器无刷直流电机运行性能。

所有的无位置传感器驱动方法都会受到换相误差的影响,无位置传感器无刷直流电机主要误差源有模/数转换器(Analog to Digital Converter, ADC)的量化误差、脉冲宽度调制技术(Pulse Width Modulation Converter, PWM)死区时间、低通滤波器造成的延迟。

在方波驱动控制方式下,换相时二极管续流不可避免,续流造成端电压波形畸变,使端电压过零点位置发生改变,会产生超前的换相误差。而这些误差都会反映在换相瞬间,造成无位置传感器无刷直流电机换相不准确,如果换相误差过大,甚至会造成失步的现象,影响电机的正常运行,为此国内外诸多学者对其进行了广泛而深入的研究。

现在换相误差补偿方法可以分为两类:第一类是特定的误差源进行补偿,比如电枢绕组电压降和低通滤波器的换相误差的补偿,但是系统中还存在其他因素造成换相误差;第二类是通过电流或电压现象来检测换相误差,这类方法的中心思想是检测被偏移的换相点而影响到电压和电流信号,经运算得到换相点的偏移角度,通常需要更高的ADC采样频率和更大的计算量,但是经补偿后的换相位置更接近最佳换相位置。

有学者提出了重载条件下无位置传感器无刷直流电机驱动换相续流对于换相点的影响,并提出一种线下检测及超前误差补偿的方法。但是这种方法得出的换相误差角度函数与续流角度有关,需要在线下测得电流续流角度,不能实时校正系统误差。

有学者提出一种基于虚拟中性点电压积分的闭环补偿算法。换相点之前和之后的相邻60°间隔之间的积分差被用作PI调节器的反馈以自动补偿误差,但是这种方法需要构造虚拟中性点,并引入了新的硬件电路。

有学者介绍了一种利用同一导通周期前后30°相电流积分差来检测换相误差的方法,但是这种方法获得的换相误差角度函数与系统参数相关,并且得到的积分差值与换相误差角度成非线性关系,因此补偿系统的稳定性对系统参数变化敏感,并且其积分边界为导通相的前后30°区域,积分边界的确定使系统的复杂性增加,还会增大测量误差。

有学者介绍了一种利用换相前后采样的换相点位移与直流电流的差值来检测换相误差角的方法,研究对象为高速低电感电机,电机的电感和电机的续流时间可以忽略,因此不必考虑续流对换相点以及误差角度检测的影响,但是这种方法不适用于续流现象明显的电机,具有局限性。

哈尔滨工程大学自动化学院的研究人员在利用线电压差检测反电动势过零点方法的基础上,分析了换相误差和续流对线电压差积分值的函数关系,并提出一种广泛适用于无位置传感器无刷直流电机换相误差校正的方法。这种方法不需要重新构造电机中性点,积分边界信号由功率管开关信号所决定,且得到的积分值与换相误差具有良好的线性关系,补偿算法简单易于实现,增加了补偿系统后,可以使电机在理想换相位置处换相,提升了电机的工作性能。实验结果表明了理论的正确性及所提出的补偿方法的有效性。

无位置传感器无刷直流电机换相误差校正的新方法

图7 换相误差补偿系统

无位置传感器无刷直流电机换相误差校正的新方法

图8a 电机控制电路及驱动电路

无位置传感器无刷直流电机换相误差校正的新方法

图8b 电机及负载

研究者最后得到结论如下:

  • 1)由理论分析可知,换相误差角度和线电压差积分值d以及关断相相电流成函数关系。

  • 2)根据所得结论,提出一种新型校正方法,这种方法以控制线电压差积分值d =0为目标,通过调整过零点的延时角度,校正无刷直流电机的换相位置,以实现电机的精确换相。

  • 3)与其他方法相比,该方法具有积分区间易于确定,不需要重新构造中性点,能够实时补偿和校正,方法简单,容易实现等优点。

  • 4)经实验验证,所提出的方法可以准确地检测换相误差角度,并有效地补偿无刷直流电机的换相误差,提高电机换相的精度。该方法具有广泛的适用性,具有一定的应用价值和较好的前景。

以上研究成果发表在2019年第22期《电工技术学报》,论文标题为“一种基于线电压差积分的无位置传感器无刷直流电机换相误差检测和校正方法”,作者为姚绪梁、林浩、鲁光旭、王景芳、赵继成。