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无刷直流电机转矩脉动抑制与无位置传感器控制研究

赵继成  
【摘要】:无刷直流电机具有结构简单、运行效率高、启动转矩大等优点,因此被广泛应用于各种场合。对于两相导通模式的无刷直流电机,在电机换相过程中存在明显的换相转矩脉动,最大可达平均转矩的50%,严重影响了运行性能。为了降低电机换相转矩脉动,本文研究了无刷直流电机的换相转矩脉动抑制方法。无刷直流电机运行中需要使用位置传感器进行电流换相。然而,位置传感器容易受外界信号的干扰,降低了系统的可靠性,因此对无刷直流电机的无位置传感器控制方法进行研究具有重要的理论意义和应用价值。在目前的无位置传感器控制方法中,通过检测电机的反电动势确定转子位置是常用方法之一。但是,反电动势的检测过程容易受到很多因素的影响,引起换相误差。为了获得准确的换相信号,本文对无刷直流电机无位置传感器控制方法进行了深入研究。本文提出一种变压器型辅助升压电路抑制换相转矩脉动。在非换相区间,根据转速、负载对升压电路进行充电。进入换相区间时,辅助升压电路提高母线电压,维持非换相电流稳定,降低换相转矩脉动。文中分析了辅助升压电路的工作原理,建立了换相过程中电容压降的数学模型,给出电容充电期望值。对电容参数范围研究,确定了电容容值。通过仿真和实验验证了变压器型辅助升压电路可以有效抑制换相转矩脉动和缩短换相时间,并与SEPIC变换器供电的方法进行对比实验。本文提出一种基于霍尔信号延迟的换相转矩脉动抑制方法。文中分析了延迟霍尔信号对相电流产生的影响,根据反电动势与相电流的相位关系,建立了延迟区间相电流的数学模型,通过这种现象提出一种新的换相转矩脉动抑制方法。本文以换相过程中功率开关占空比等于单位1作为目标,建立了延迟时间的关断相电流的数学模型,通过不同转速、负载条件下的仿真和实验验证了方法的有效性和准确性。本文提出一种基于最优电流矢量的换相转矩脉动抑制方法。文中在两相静止坐标系下建立了换相过程的电流模型,分析了换相过程对电流矢量切换的影响,给出电机换相转矩脉动的原因。文中以换相过程转矩恒定和最大转矩电流比作为目标,提出一种基于最优电流矢量的换相转矩脉动抑制方法。通过仿真、实验验证了本文方法在不同转速条件下均可以抑制换相转矩脉动。本文提出一种基于线电压差积分的无位置传感器控制方法。文中建立了换相误差与相电流、平均功率的数学模型,分析换相误差对相电流、平均功率的影响。针对非梯形波、梯形波两种反电动势,建立了线电压差积分与换相误差间的数学模型,分析了换相误差对线电压差积分的影响。在建立线电压差积分与换相误差的数学模型时,考虑了换相过程对线电压差积分的影响,提高了换相误差的检测精度。对于非梯形波反电动势,将反电动势积分值作为反馈量进行调节,补偿精度高。对于梯形波反电动势,通过计算的方式可以得到换相误差的解析解,保证精度的同时加快了误差的补偿速度。通过实验验证了提出方法的有效性和动态响应能力,并且给出了不同条件下的误差补偿时间。通过实验测试不同工况下的平均功率,验证了换相信号补偿之后可以降低电机功耗。


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