考慮磁編碼器精度的電機(jī)位置檢測(cè)方法

鄧智城　王鵬飛　劉慧明

矢量控制算法和SVPWM已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于大多數(shù)的伺服系統(tǒng)。但是在實(shí)際實(shí)現(xiàn)算法的過(guò)程電壓源逆變器需要死時(shí)間來(lái)防止短路，從而導(dǎo)致定子磁通矢量的偏移，當(dāng)從編碼器提供的機(jī)械角度推導(dǎo)出電角度時(shí)，可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致誤差。本文研究了死區(qū)效應(yīng)的影響，提出了一種導(dǎo)出定子機(jī)械與電角關(guān)系的方法，并對(duì)改進(jìn)前后的性能進(jìn)行了分析。該方法在主要輸出電壓幅值較低、負(fù)載輕的情況下有效。

1 簡(jiǎn)介

對(duì)于驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)確檢測(cè)氣隙磁場(chǎng)的位置是非常重要的。一般來(lái)說(shuō)，我們認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置相當(dāng)于氣隙磁場(chǎng)的位置，特別是當(dāng)定子電流相對(duì)較小時(shí)。只有通過(guò)準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和電角度，才能正確地實(shí)現(xiàn)park變換。如果轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)不準(zhǔn)確，將無(wú)法在d- q軸上正確獲得電流，這可能使電流環(huán)的精度降低。摘要利用空時(shí)效應(yīng)的聯(lián)合作用，逆變器的輸出電壓矢量往往會(huì)偏離根據(jù)SVPWM算法合成的定子磁場(chǎng)矢量的方向和大小，這可能會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，特別是當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)。本文試圖通過(guò)測(cè)量每個(gè)磁編碼器返回值的機(jī)械角度所對(duì)應(yīng)的電位角來(lái)建立數(shù)據(jù)表，以提高SVPWM的性能和電流檢測(cè)以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

2 死區(qū)效應(yīng)簡(jiǎn)介

死區(qū)效應(yīng)已得到充分研究。由于開(kāi)關(guān)設(shè)備總是有一個(gè)有限的開(kāi)關(guān)時(shí)間，所以在計(jì)算PWM門(mén)控信號(hào)時(shí)應(yīng)該考慮到死時(shí)間，以防止同一條橋上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備短路。然而，雖然死區(qū)時(shí)間很短，但當(dāng)逆變器的輸出電壓也很小的時(shí)候，與實(shí)際驅(qū)動(dòng)時(shí)間相比，死區(qū)時(shí)間不能被忽略。

2.1 死區(qū)效應(yīng)在一相橋臂上的作用

通過(guò)分析PWM逆變器的單相死區(qū)效應(yīng)，我們可以將結(jié)果擴(kuò)展到所有三相橋臂上。在死區(qū)時(shí)間Td，兩種開(kāi)關(guān)元器件在一個(gè)階段的橋臂都不導(dǎo)通，因?yàn)殡姼械淖饔茫娏鞑荒芡蝗恢袛啵鼤?huì)產(chǎn)生額外電壓，直到開(kāi)關(guān)元件中的體二極體被直接偏置，并允許續(xù)流電流流過(guò)。如果當(dāng)前的極性是正的，即電流從逆變器進(jìn)入電機(jī)時(shí)，下橋MOS上的體二極管將會(huì)導(dǎo)通。失真電壓可以用以下公式表示。

否則，上橋上的二極管就會(huì)導(dǎo)電。

可以看出，輸出電壓的偏差取決于a相電流的方向，輸出電壓的偏差取決于a相電流的方向。

2.2 三相上的死區(qū)作用

由于三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，并且假設(shè)所有三腳上的開(kāi)關(guān)設(shè)備都是相同的。所以在B和C相的死區(qū)效應(yīng)和它在A相中的作用是一樣的。

2.3 死區(qū)補(bǔ)償

死區(qū)效應(yīng)可以被看作是在理想的電壓輸出上疊加一個(gè)電壓偏差。最直接的補(bǔ)償方法是產(chǎn)生相反的電壓輸出。因此實(shí)際輸出可以近似參考輸出。三相補(bǔ)償電壓可以用下列公式表示。

2.4 死區(qū)補(bǔ)償?shù)木窒扌?/p>

上面提到的補(bǔ)償方法假設(shè)每相的電流不變。然而，當(dāng)輕載時(shí)，每相的電流都很小，可能無(wú)法保持二極管在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。這可能會(huì)在運(yùn)行時(shí)帶來(lái)額外的誤差。

3 在運(yùn)用死區(qū)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上更加檢測(cè)逆變器實(shí)際給出的電壓矢量的方法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)械角度和電角度之間的關(guān)系不是嚴(yán)格線性的，大致可以看成是6部分。因?yàn)槿绻?fù)載是輕的，那么三個(gè)相中的一個(gè)的電流的極性是不穩(wěn)定的，所以死時(shí)效應(yīng)的補(bǔ)償可能是大的或太小的，特別是當(dāng)電流的極性要改變的時(shí)候。根據(jù)這一現(xiàn)象，我們可以在不同的負(fù)載情況下進(jìn)行相同的測(cè)試，并檢查機(jī)械角度與電角度之間的關(guān)系。我們收集數(shù)據(jù)，做一個(gè)表格，最后發(fā)現(xiàn)它的改進(jìn)。我們發(fā)現(xiàn)速度波動(dòng)變得小得多。

4 結(jié)論

本文提出了一種提高檢測(cè)電角度的準(zhǔn)確度的方法。通過(guò)使用該方法，我們可以在應(yīng)用SVPWM算法時(shí)提高性能，因?yàn)樘峁┝烁_的磁場(chǎng)位置。

（作者單位：東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院）