近年來，永磁無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor, BLDCM）憑其控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和效率高等優(yōu)勢(shì)發(fā)展迅猛，遍布電動(dòng)汽車、航空航天系統(tǒng)、武器系統(tǒng)以及高精密伺服系統(tǒng)等各領(lǐng)域，但換相誤差一直是影響永磁BDLCM系統(tǒng)性能的主要因素之一。

換相誤差形成的原因有多種，如電機(jī)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(jī)位置傳感器的安裝誤差或其檢測(cè)信號(hào)的抖動(dòng)誤差，無位置傳感器算法下的電機(jī)參數(shù)變化誤差和電壓電流信號(hào)檢測(cè)誤差、關(guān)斷相二極管續(xù)流淹沒反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)造成的相位誤差以及控制回路中非理想環(huán)節(jié)的延遲誤差或累計(jì)誤差等。

換相誤差的存在會(huì)造成BLDCM帶載能力減弱、調(diào)速范圍減小并使電流紋波加劇等影響。這些影響在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)更甚，因此有必要對(duì)高速永磁BDLCM的換相校正技術(shù)進(jìn)行深入研究。

目前，換相誤差模型及換相校正技術(shù)的研究主要分為兩個(gè)方向：一是基于數(shù)學(xué)模型對(duì)傳感器檢測(cè)誤差、阻抗效應(yīng)和環(huán)路延遲等因素引起的換相誤差進(jìn)行開環(huán)補(bǔ)償；二是基于電機(jī)電壓和電流等特征量對(duì)換相誤差進(jìn)行閉環(huán)校正。

在第一類研究方向上，有學(xué)者指出由阻抗效應(yīng)引起的換相誤差角應(yīng)為換相過程角的一半，并推導(dǎo)了其補(bǔ)償角的計(jì)算公式。有學(xué)者利用反電動(dòng)勢(shì)（Back Electromotive Force, BEF）法對(duì)高速重載時(shí)關(guān)斷相續(xù)流造成位置檢測(cè)信號(hào)相位超前的問題，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并給出了補(bǔ)償算法。有學(xué)者推導(dǎo)了濾波器延遲、器件延遲和軟件延遲等因素導(dǎo)致的換相誤差的表達(dá)式，并予以補(bǔ)償。

以上開環(huán)補(bǔ)償方案的參數(shù)敏感度較高且魯棒性較差，因此已有很多學(xué)者從電機(jī)特征量和換相誤差的關(guān)系著手研究，旨在對(duì)總的換相誤差實(shí)現(xiàn)閉環(huán)校正，也取得了許多有意義的成果。

• 有學(xué)者利用電機(jī)電壓信號(hào)，如端電壓在換相前后對(duì)稱的特點(diǎn)，通過將換相前后的端電壓差調(diào)節(jié)為零來補(bǔ)償換相誤差，但只適用于特定調(diào)制方式下的BLDCM系統(tǒng)。
• 有學(xué)者則考慮使用電機(jī)電流信號(hào)如非換相相電流在換相前后對(duì)稱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換相誤差的閉環(huán)校正，但也會(huì)受調(diào)制方式等因素影響。
• 有學(xué)者則分析了反電動(dòng)勢(shì)與相電流間相位差即內(nèi)功角與換相誤差的關(guān)系，并通過調(diào)節(jié)該相位差來鎖定換相誤差，從而達(dá)到換相校正的效果，但對(duì)相位差的觀測(cè)受換相續(xù)流的影響或依賴于電機(jī)電感參數(shù)。

因此，本文提出了一種自尋優(yōu)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(dòng)尋優(yōu)，從而達(dá)到換相補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)效果。本文對(duì)現(xiàn)有換相校正策略下的高速永磁BLDCM系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)和歸納，給出自尋優(yōu)換相校正控制策略的校正思路，然后對(duì)自尋優(yōu)算法中換相誤差與相電流的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了換相校正策略的具體實(shí)現(xiàn)方案，最后本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性和優(yōu)越性。

圖2 自尋優(yōu)換相校正策略下的高速永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)框圖

圖15 高速永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

本文針對(duì)高速永磁BLDCM換相誤差模型及其校正方案進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了一種基于最小相電流追蹤的自尋優(yōu)換相校正策略，給出了具體實(shí)施方案并對(duì)其進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)得出以下結(jié)論：

• 1）BLDCM的相電流與換相誤差呈非線性關(guān)系，且當(dāng)換相誤差實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償時(shí)相電流存在最小值，并對(duì)應(yīng)此時(shí)的電機(jī)最優(yōu)換相角。
• 2）自尋優(yōu)換向校正系統(tǒng)中只需檢測(cè)電機(jī)相電流的變化情況，不依賴于任何電機(jī)參數(shù)或其他變量，補(bǔ)償精度主要受相電流檢測(cè)精度、調(diào)節(jié)步長(zhǎng)和調(diào)節(jié)周期的影響。相對(duì)于其他策略而言，本策略不僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且補(bǔ)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(bǔ)償因阻抗效應(yīng)、采樣延遲及控制延遲等各種因素導(dǎo)致的換相誤差，適應(yīng)范圍廣，魯棒性強(qiáng)。
• 4）所提策略不受限于永磁BLDCM位置檢測(cè)方法、調(diào)制方式或反電動(dòng)勢(shì)波形是否理想等條件，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的適用性。