无位置传感器无刷直流电机换相误差校正系统研究

无位置传感器无刷直流电机换相误差校正系统研究

杨贵兰,杨良鑫,谷宗泰

深圳市广联富科技有限公司 518102

摘要:针对传统无位置传感器无刷直流电机控制技术存在换相误差这一问题，本文提出了一种基于转子角度观测器的换相误差闭环校正方法。在系统分析换相误差产生机理的基础上，通过建立u_i转子角度观测器模型，在线实时获取电机转子位置，将电机总换相误差归一化为反电势与相电流间的相位差，并进行校正。相较于传统无位置传感器控制技术，本文提出的方法可以在较宽的电机转速范围内进行换相误差精准校正，并具有较高的鲁棒性。仿真与实验结果表明，基于本文提出换相误差校正策略能获得精准换相点，转矩脉动明显降低，尤其是在换相期间，校正后相电流脉动从42%减小到18%左右。

关键词:无刷直流电机;无位置传感器;转子角度观测;换相误差校正

无刷直流电机采用电子换相电路取代传统有刷直流电机的机械换向装置，在保持原有基本性能基础上，进一步提高其高效可靠性，扩展了应用范围，在航天航空、汽车驱动、家用电器以及工控自动化等行业受到广泛青睐。一台高性能的无刷直流电机，通常需要精确的检测转子磁极位置以产生恒定的定子磁场，目前应用较多的位置传感器主要为霍尔式传感器和光电式传感器。位置传感器通常存在着以下弊端:1)高精度的传感器往往价格昂贵，增加了控制系统的成本;2)内置式的传感器，会增大电机体积，限制电机在空间受限的场景中应用;3)增加机轴摩擦，同时接口连线容易引入误差，降低系统整体可靠性;4)在环境严苛的条件下，传感器极易受损，整个系统将无法正常工作。

1无刷直流电机数学模型及换相误差分析

电机数学模型

图1为三相逆变器和无刷直流电机内部等效电路图，平顶宽度为120°的梯形波反电势和电流关系图。假设电机三项绕组对称，定子内表面电枢绕组均匀分布，气隙磁场为方波。

图1无刷直流电机等效电路

2无位置传感器换相误差校正策略

2. 1转子角度计算

目前关于无位置传感器转子位置检测法研究较为成熟的方法是反电势过零点法，通过检测悬空相电压与直流母线电压进行比较，得到反电势过零点，再延迟30°电角度即为电机换相点，因该方法简单可行，无需额外硬件电路，而受到广泛关注。但是该方法在不同的PWM调制方式控制下，由于二极管的续流问题，对于不同开关状态下的悬空相电压需要与不同的阈值进行比较，才能得到理想反电势过零点，同时在电机运行过程中，悬空相无法直接确定，以及存在软件延迟误差等一系列问题，限制了该方法的广泛应用。

2.2换相误差角度计算

造成电机换相误差的因素众多，有由电机固定安装因素带来的误差，滤波器延时误差，软件估算误差，计算误差等，综合电机各种误差因素影响，主要表现为电机相电流与反电势之间的相位差。但是由于反电势无法直接测量，因此本文考虑从与反电势成90°相位差的转子磁链Ψ入手，并将电流进行积分，得到同样滞后于相电流90°的电流积分信号，通过比较磁链与电流积分信号间的相位差即为电机总的换相误差。

2. 3转子位置误差校正控制系统设计

通过转子检测模块得到的实际转子角度θr，与鉴相器模块得到电机总误差角度α'比较，得到电机理想转子位置θ，即θ=θr－α'，然后通过扇区判断给出电机正确的换相逻辑输送给前端逆变器控制二极管通断，进而实现正确的换相控制。同时整个控制系统采用转速电流双闭环控制结构，使电机动态响应更快，抗干扰能力更强，运行更为稳定精确。

3仿真与实验

3. 1仿真结果

根据上文推导的无位置传感器检测原理和误差校正方法，在Matlab/Simulink平台搭建的无位置传感器无刷直流电机换相误差校正控制系统仿真模型。电机采用永磁同步电机反电势为梯形波模块，极对数为8，额定电压为36V，J=0.8×10－3kg·m2是转动惯量，B=0.2×10－3N·m·s/rad是阻尼系数为，反电势系数为Ke=0.053V·s/rad，而转矩常数为Kb=0.065N·m/A。

在加入了本文提出的换相误差校正策略后，换相误差得到明显修正，电流波形更加光滑，波动情况明显降低。仿真结果表明:本文提出的无位置传感器检测法能有效检测到无刷直流电机转子位置，反电势和电流波形符合理论分析的梯形波和方波;基于该无位置传感器检测法的换相误差校正策略，对电机换相误差起到了较好的修正作用，同时电流波动减小，定程度上降低了电机的转矩脉动。

在采用了本文所提出的无位置传感器检测方法，均有效检测到了电机转子位置信号，能驱动电机正常运行旋转。在加入换相误差校正策略后，可以将电机换相点自动校正为最佳状态。电流相较于校正前波形，波动降低，尤其体现在换相阶段，校正后的电流波形运行平稳，无明显抖动。实验结果与仿真结果一致，证明了本文提出的精确换相控制方法的正确性与有效性。

4结论

本文提出的无位置传感器无刷直流电机换相误差校正控制系统，设计了一种基于u_i模型的转子角度观测器。只需检测电机任意一相电压电流，可直接观测得到电机转子角度。该方法控制简单，无需额外硬件电路，且不受续流影响。分析了无刷直流电机分别在超前、滞后和正常换相时，反电势和电流的波形变化关系，并依此提出了电机换相误差校正控制策略，配合本文提出转子位置检测方法，实现无位置传感器无刷直流电机的精确换相控制。仿真与实验结果也进一步验证了本文的无位置传感器无刷直流电机换相误差方法，能有效检测到电机转子位置，并对换相误差进行实时校正。

参考文献

［1］龚文倩，朱俊杰，郑志安，等．基于SEPIC变换器的无位置传感器无刷直流电机换相误差校正［J］．仪器仪表学报，2019，40(5):109-117．