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無刷直流電機(jī)因其具有高效率、高功率密度等特點(diǎn)，在許多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，無刷直流電機(jī)通常利用霍爾傳感器提供轉(zhuǎn)子六個(gè)關(guān)鍵位置信息，但是安裝在電機(jī)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(huán)境的干擾，使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性降低，影響電機(jī)的運(yùn)行。因此無位置傳感器驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為無刷直流電機(jī)高性能領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

目前已經(jīng)研究出多種實(shí)現(xiàn)無位置傳感器驅(qū)動(dòng)方案，主要包括反電動(dòng)勢(shì)（Electromotive Force, EMF）法、續(xù)流二極管法、磁鏈估計(jì)法以及3次諧波法等，其中以反電動(dòng)勢(shì)法最為經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。無位置傳感器無刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)法可以分為三類：直接反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)、間接反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)和模型估計(jì)法。

無位置傳感器無刷直流電機(jī)依然存在很多問題，比如電機(jī)的起動(dòng)、低速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和中高速范圍內(nèi)的高精度換相誤差補(bǔ)償。其中能否精確地?fù)Q相影響了無位置傳感器無刷直流電機(jī)運(yùn)行性能。

所有的無位置傳感器驅(qū)動(dòng)方法都會(huì)受到換相誤差的影響，無位置傳感器無刷直流電機(jī)主要誤差源有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter, ADC）的量化誤差、脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation Converter, PWM）死區(qū)時(shí)間、低通濾波器造成的延遲。

在方波驅(qū)動(dòng)控制方式下，換相時(shí)二極管續(xù)流不可避免，續(xù)流造成端電壓波形畸變，使端電壓過零點(diǎn)位置發(fā)生改變，會(huì)產(chǎn)生超前的換相誤差。而這些誤差都會(huì)反映在換相瞬間，造成無位置傳感器無刷直流電機(jī)換相不準(zhǔn)確，如果換相誤差過大，甚至?xí)斐墒Р降默F(xiàn)象，影響電機(jī)的正常運(yùn)行，為此國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

現(xiàn)在換相誤差補(bǔ)償方法可以分為兩類：第一類是特定的誤差源進(jìn)行補(bǔ)償，比如電樞繞組電壓降和低通濾波器的換相誤差的補(bǔ)償，但是系統(tǒng)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(xiàn)象來檢測(cè)換相誤差，這類方法的中心思想是檢測(cè)被偏移的換相點(diǎn)而影響到電壓和電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算得到換相點(diǎn)的偏移角度，通常需要更高的ADC采樣頻率和更大的計(jì)算量，但是經(jīng)補(bǔ)償后的換相位置更接近最佳換相位置。

有學(xué)者提出了重載條件下無位置傳感器無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)換相續(xù)流對(duì)于換相點(diǎn)的影響，并提出一種線下檢測(cè)及超前誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?。但是這種方法得出的換相誤差角度函數(shù)與續(xù)流角度有關(guān)，需要在線下測(cè)得電流續(xù)流角度，不能實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)誤差。

有學(xué)者提出一種基于虛擬中性點(diǎn)電壓積分的閉環(huán)補(bǔ)償算法。換相點(diǎn)之前和之后的相鄰60°間隔之間的積分差被用作PI調(diào)節(jié)器的反饋以自動(dòng)補(bǔ)償誤差，但是這種方法需要構(gòu)造虛擬中性點(diǎn)，并引入了新的硬件電路。

有學(xué)者介紹了一種利用同一導(dǎo)通周期前后30°相電流積分差來檢測(cè)換相誤差的方法，但是這種方法獲得的換相誤差角度函數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)，并且得到的積分差值與換相誤差角度成非線性關(guān)系，因此補(bǔ)償系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化敏感，并且其積分邊界為導(dǎo)通相的前后30°區(qū)域，積分邊界的確定使系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，還會(huì)增大測(cè)量誤差。

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

哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的研究人員在利用線電壓差檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)方法的基礎(chǔ)上，分析了換相誤差和續(xù)流對(duì)線電壓差積分值的函數(shù)關(guān)系，并提出一種廣泛適用于無位置傳感器無刷直流電機(jī)換相誤差校正的方法。這種方法不需要重新構(gòu)造電機(jī)中性點(diǎn)，積分邊界信號(hào)由功率管開關(guān)信號(hào)所決定，且得到的積分值與換相誤差具有良好的線性關(guān)系，補(bǔ)償算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，增加了補(bǔ)償系統(tǒng)后，可以使電機(jī)在理想換相位置處換相，提升了電機(jī)的工作性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了理論的正確性及所提出的補(bǔ)償方法的有效性。

圖7 換相誤差補(bǔ)償系統(tǒng)

圖8a 電機(jī)控制電路及驅(qū)動(dòng)電路

圖8b 電機(jī)及負(fù)載

研究者最后得到結(jié)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(guān)斷相相電流成函數(shù)關(guān)系。
• 2）根據(jù)所得結(jié)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(biāo)，通過調(diào)整過零點(diǎn)的延時(shí)角度，校正無刷直流電機(jī)的換相位置，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確換相。
• 3）與其他方法相比，該方法具有積分區(qū)間易于確定，不需要重新構(gòu)造中性點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償和校正，方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
• 4）經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提出的方法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)換相誤差角度，并有效地補(bǔ)償無刷直流電機(jī)的換相誤差，提高電機(jī)換相的精度。該方法具有廣泛的適用性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和較好的前景。

以上研究成果發(fā)表在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“一種基于線電壓差積分的無位置傳感器無刷直流電機(jī)換相誤差檢測(cè)和校正方法”，作者為姚緒梁、林浩、魯光旭、王景芳、趙繼成。