和永磁同步电机相比,在具有高稳定性要求和高精度要求的应用场合,无刷直流电机处于劣势,这是因为无刷直流电机具有转矩脉动问题特别是换相转矩脉动,影响了它在高性能交流调速系统中的应用,因此,转矩脉动抑制技术是提高无刷直流电机性能所面临的首要问题。随着生产过程对成本和可靠性及性能等要求不断提高,无刷直流电机的无位置传感器技术日益受到关注。无位置传感器检测转子位置可以进一步改善电机运行性能,降低生产成本和避免因使用传感器带来的其他问题,无位置传感器技术是近年研究的热点问题之一。 综合来看,对于无刷直流电机,就目前研究的热点技术问题而言,最重要的有两个技术问题,无位置传感器技术和转矩脉动抑制技术,这两个问题也是目前在应用中最为紧迫,受到的关注程度****的问题
1 无位置传感器技术
无位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置。目前常用的方法的主要有四类:反电势法、续流二极管法、电感法和状态观测器法。 反电势法是迄今为止最成熟、最有效、也是最常见和应用最为广泛的一种转子位置信号检测方法。这种方法的基本原理就是在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下,通过检测“断开相”(逆变器上下功率器件都处于关断的那一相)的反电势过零点,来依次得到转子的六个关键位置信号,并以此为参考依据,轮流触发导通六个功率管,驱动电机运转。 续流二极管法又称“第三相导通法”,它是通过反并联于逆变桥功率开关管上续流二极管的导通与关断状态的检测来确定转子位置的。续流二极管法其本质还是反电动势法,只是在“断开相”反电势过零点检测上有了一定的改变。这种改变在一定程度上能够拓宽电机的调速范围。 电感法有两种形式:一种是用于凸极式永磁无刷直流电机;另一种是用于内嵌式磁钢结构的永磁无刷直流电机。第一种电感法主要是通过在起动过程中对电机绕组施加探测电压来判断其电感的变化,它是“反电势法’’中所用到的一种起动技术。第二种是通过在线检测绕组电感随转子位置的改变而发生的变化,再经过一定计算,推算转子的位置。 状态观测器法即转子位置计算法,是将电机三相电压、电流作坐标变换在派克方程的基础上估算出电机转子位置的一种方法。状态观测器法一般只适用于感应电势为正弦波的永磁无刷直流电机,且计算繁琐并对微机性能要求较高。 除了上述几种方法,国内外还出现了其它一些转子位置信号检测方法,如涡流法;模糊控制和神经网络控制法等。这些方法或因实现难度较大,或因应用条件苛刻,或因检测误差太大等缘故,应用都不是很广泛。
2 转矩脉动抑制技术
无刷直流电机转矩脉动是由于电流和反电势偏离理想波形而产生的转矩脉动。因此优化反电势和电流波形以削弱谐波引起的转矩脉动是关键。对于方波型无刷直流电机,其反电动势越接近方波效果越好。 根据转矩脉动产生的机理的不同,采用的转矩脉动抑制的方法主要是两种口朝:一种是电机本体优化设计,通过气隙磁场,定转子结构,绕组形式等合理设计来消除齿槽误差,使反电动势波形接近理想波形;另一种是从控制策略入手,通过调整加在电机定子绕组上的电压或电流波形来抑制转矩脉动。从电机本体设计入手:采用斜槽、分数槽、虚拟齿和虚拟槽、无槽电机等可以削弱齿槽引起的转矩脉动;采用高性能的稀土永磁材料、转子采用瓦片形表面贴装型式等,可以削弱气隙主磁场的气隙磁感应强度分布波形;选择合理的电机磁极和极弧的设计方案,改变磁极形状,或增加极弧宽度来有效消除电磁因素引起的转矩脉动等。 从控制策略入手:通过控制****开通角使电流波形和反电动势波形的配合适当,而达到削弱转矩脉动的目的;通过控制电流的谐波成分来消除由此产生的转矩波动;PWM斩波法、重叠换相法及电流反馈法等补偿电流幅值的变化,抑制换相转矩脉动等。 近年来,随着现代控制理论的发展,智能控制技术在无刷直流电机中也得到了应用。目前应用于无刷直流电机的控制方法主要集中在模型参考自适应,滑模变结构,状态观测器等方面。随着人工智能技术的发展,专家系统,模糊控制理论,人工神经元网络等智能控制的****成果开始进入电机控制领域,给进一步提高无刷直流电机的控制性能提供了一条全新的途径
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