- 頭條高速無刷直流電機的自尋優換相校正新方法2021-03-15 作者：施曉青 王曉琳 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語南京航空航天大學自動化學院的研究人員施曉青、王曉琳、徐同興、顧聰，在2019年第19期《電工技術學報》上撰文指出，換相誤差是影響高速永磁無刷直流電機系統性能的主要因素之一，眾多學者已對換相誤差模型及校正技術進行了廣泛研究。 該文指出相電流與換相誤差呈非線性關系，當且僅當換相誤差被完全補償時相電流存在最小值。為達到換相誤差的最優補償效果，提出一種基于最小相電流追蹤的自尋優換相校正策略，即僅以電機相電流作為反饋信號對換相補償角自動尋優。 這種自尋優換相校正策略既不依賴于任何電機參數，又能統一補償因電機阻抗效應、采樣延遲及控制回路延遲等不同因素導致的換相誤差。同時，該策略不受限于無刷直流電機的位置檢測方法、調制方式或反電動勢波形是否理想等條件，實現簡單，具有較強的適用性。最后通過仿真和實驗驗證了該策略的有效性和優越性。
近年來，永磁無刷直流電機（Brushless DC Motor, BLDCM）憑其控制簡單、運行可靠和效率高等優勢發展迅猛，遍布電動汽車、航空航天系統、武器系統以及高精密伺服系統等各領域，但換相誤差一直是影響永磁BDLCM系統性能的主要因素之一。
換相誤差形成的原因有多種，如電機本體的等效電感阻礙相電流變化引起的相電流相位滯后誤差，電機位置傳感器的安裝誤差或其檢測信號的抖動誤差，無位置傳感器算法下的電機參數變化誤差和電壓電流信號檢測誤差、關斷相二極管續流淹沒反電動勢過零點造成的相位誤差以及控制回路中非理想環節的延遲誤差或累計誤差等。
換相誤差的存在會造成BLDCM帶載能力減弱、調速范圍減小并使電流紋波加劇等影響。這些影響在電機高速運行時更甚，因此有必要對高速永磁BDLCM的換相校正技術進行深入研究。
目前，換相誤差模型及換相校正技術的研究主要分為兩個方向：一是基于數學模型對傳感器檢測誤差、阻抗效應和環路延遲等因素引起的換相誤差進行開環補償；二是基于電機電壓和電流等特征量對換相誤差進行閉環校正。
在第一類研究方向上，有學者指出由阻抗效應引起的換相誤差角應為換相過程角的一半，并推導了其補償角的計算公式。有學者利用反電動勢（Back Electromotive Force, BEF）法對高速重載時關斷相續流造成位置檢測信號相位超前的問題，建立了相應的數學模型并給出了補償算法。有學者推導了濾波器延遲、器件延遲和軟件延遲等因素導致的換相誤差的表達式，并予以補償。
以上開環補償方案的參數敏感度較高且魯棒性較差，因此已有很多學者從電機特征量和換相誤差的關系著手研究，旨在對總的換相誤差實現閉環校正，也取得了許多有意義的成果。
- 有學者利用電機電壓信號，如端電壓在換相前后對稱的特點，通過將換相前后的端電壓差調節為零來補償換相誤差，但只適用于特定調制方式下的BLDCM系統。
- 有學者則考慮使用電機電流信號如非換相相電流在換相前后對稱的特點，實現了對換相誤差的閉環校正，但也會受調制方式等因素影響。
- 有學者則分析了反電動勢與相電流間相位差即內功角與換相誤差的關系，并通過調節該相位差來鎖定換相誤差，從而達到換相校正的效果，但對相位差的觀測受換相續流的影響或依賴于電機電感參數。
因此，本文提出了一種自尋優換相校正策略，在該策略中，換相角基于相電流的反饋量自動尋優，從而達到換相補償的最優效果。本文對現有換相校正策略下的高速永磁BLDCM系統進行了總結和歸納，給出自尋優換相校正控制策略的校正思路，然后對自尋優算法中換相誤差與相電流的邏輯關系進行分析，并設計了換相校正策略的具體實現方案，最后本文通過仿真和實驗驗證了該策略的有效性和優越性。
圖2 自尋優換相校正策略下的高速永磁無刷直流電機系統框圖
圖15 高速永磁無刷直流電機系統實驗平臺
結論
本文針對高速永磁BLDCM換相誤差模型及其校正方案進行了系統分析，提出了一種基于最小相電流追蹤的自尋優換相校正策略，給出了具體實施方案并對其進行了仿真和實驗驗證，總結得出以下結論：
- 1）BLDCM的相電流與換相誤差呈非線性關系，且當換相誤差實現全補償時相電流存在最小值，并對應此時的電機最優換相角。
- 2）自尋優換向校正系統中只需檢測電機相電流的變化情況，不依賴于任何電機參數或其他變量，補償精度主要受相電流檢測精度、調節步長和調節周期的影響。相對于其他策略而言，本策略不僅實現簡單，而且補償性能受到其他因素的限制影響更小。
- 3）所提策略能夠有效補償因阻抗效應、采樣延遲及控制延遲等各種因素導致的換相誤差，適應范圍廣，魯棒性強。
- 4）所提策略不受限于永磁BLDCM位置檢測方法、調制方式或反電動勢波形是否理想等條件，實現簡單，具有較強的適用性。
