永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)位置傳感器精度對(duì)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制效果的影響研究

朱高林，肖遙劍，趙 浩，馮 浩

(1.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018；2.嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

1 引 言

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、功率密度大、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)控制、自動(dòng)化、以及航空航天等領(lǐng)域[1～3]。但永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在較為明顯的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩[4]。引起脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的原因主要包括換相、非理想反電動(dòng)勢(shì)、齒槽效應(yīng)等幾種，其中由換相產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩占主要成分。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相由位置傳感器的反饋信號(hào)控制，目前常用的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)大部分采用霍爾傳感器來(lái)作為電機(jī)的位置傳感器[5]，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于安裝位置不準(zhǔn)確，3個(gè)霍爾元件的位置反饋并不能精確實(shí)現(xiàn)相位互差120°電角度，并且霍爾元件對(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)的靈敏度具有離散性，文獻(xiàn)[6]中實(shí)驗(yàn)證明在霍爾位置傳感器輸出電平跳變時(shí)很容易發(fā)生波動(dòng)產(chǎn)生誤差，進(jìn)一步影響電流換相形成不對(duì)稱的非正弦的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形。文獻(xiàn)[7～9]分別對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)和信號(hào)校正、故障補(bǔ)償以及補(bǔ)償預(yù)估的轉(zhuǎn)子位置估算方法來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的優(yōu)化，在一定程度上提升了傳感器位置反饋的精度。

肖遙劍等[10～12]提出了一種基于峰谷互補(bǔ)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制方法，抑制效果與2臺(tái)電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形的對(duì)稱性和正弦性密切相關(guān)。相比霍爾傳感器，光柵傳感器具有更為良好的輸出特性和響應(yīng)速度，因此，本文以霍爾傳感器和光柵傳感器為對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了電動(dòng)機(jī)在2種位置傳感器工況下脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的對(duì)稱性和正弦性，并對(duì)比了2種工況運(yùn)行時(shí)電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的抑制效果。

2 脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)稱性和正弦性抑制效果

2.1 峰谷互補(bǔ)抑制方法

理想的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形為正弦波，峰谷互補(bǔ)方法是用2個(gè)參數(shù)型號(hào)相同的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)同軸相連，如圖1所示。2臺(tái)電機(jī)繞組錯(cuò)開(kāi)一定角度，產(chǎn)生2個(gè)相位相差為180°電角度的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并相互疊加抵消的方法，如圖2所示。

圖1 脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制實(shí)驗(yàn)原理框圖Fig.1 Block diagram of pulsating torque suppression experiment

圖2 峰谷互補(bǔ)原理Fig.2 The complementation principle of peaks and valleys

2.2 脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)稱性和正弦性對(duì)抑制效果的影響

理想條件下，2個(gè)電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)如果相同，即可實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的完全抵消，如圖2所示。電機(jī)在實(shí)際工況運(yùn)行時(shí)，由于位置傳感器的精度問(wèn)題，非理想的換相會(huì)引起脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形的不對(duì)稱和非正弦性，不能實(shí)現(xiàn)理論上的抑制效果，因此，控制電機(jī)換相的位置傳感器的輸出特性和響應(yīng)速度顯得尤為重要。

3 2種位置傳感器精度對(duì)比

3.1 霍爾傳感器與光柵傳感器

霍爾傳感器是一種磁敏式傳感器，通過(guò)霍爾效應(yīng)檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換來(lái)反饋位置。光柵傳感器是通過(guò)光電開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)反饋位置，每個(gè)光電開(kāi)關(guān)包含一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管，通過(guò)固定在轉(zhuǎn)子上的光柵遮光盤(pán)實(shí)現(xiàn)不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷。

3.2 2種傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)比

由于傳感器的精度決定了換相位置的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步?jīng)Q定了脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形的對(duì)稱性和正弦性。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究2種位置傳感器的輸出特性。

首先對(duì)傳感器輸出波形的相位差進(jìn)行對(duì)比研究，相位差對(duì)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的對(duì)稱性的影響很大，理想情況下3個(gè)輸出波形兩兩相差120°電角度，實(shí)際通過(guò)示波器測(cè)量的2種位置傳感器相位差波形如圖3所示。

圖3 位置傳感器輸出波形相位差Fig.3 The phase difference of position sensor output waveform

由圖3可知，光柵傳感器輸出波形的相位差分別為120.6°、-119.1°、120.5°，霍爾式傳感器輸出波形的相位差為116.0°、-126.4°、118.0°。光柵傳感器的三相相位差比霍爾位置傳感器的相位差要小很多，在位置定位方面光柵位置傳感器的效果更好。

位置傳感器檢測(cè)位置信號(hào)時(shí)的響應(yīng)速度的快慢也是影響換相時(shí)間的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)響應(yīng)速度快時(shí)，控制器接受到反饋信號(hào)可以更快地驅(qū)動(dòng)電機(jī)換相，這樣就能實(shí)現(xiàn)換相延遲更小，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量2種傳感器工作情況下上升時(shí)間即上升斜率的變化情況來(lái)判斷。2種傳感器輸出波形的上升時(shí)間圖如圖4所示。

圖4 位置傳感器三相上升時(shí)間Fig.4 The rise time of position sensor three-phase

從圖4中可以看到示波器分別測(cè)量的光柵傳感器光電開(kāi)關(guān)管和霍爾元件導(dǎo)通時(shí)的上升時(shí)間值，3個(gè)光電開(kāi)關(guān)管上升時(shí)間分別為2.844 μs、2.954 μs、3.067 μs較霍爾元件的20.32 μs、24.73 μs、15.08 μs短了很多，并且光柵位置傳感器的每個(gè)元件響應(yīng)時(shí)間近似，而霍爾位置傳感器的元件的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)并且兩兩間相差較大，由于感應(yīng)元件的每次響應(yīng)都對(duì)應(yīng)著樞繞組一次電換相，因此光柵位置傳感器較霍爾位置傳感器換相響應(yīng)速度更快、換相時(shí)間更穩(wěn)定、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形更為對(duì)稱，正弦性更好。

另一個(gè)影響電機(jī)換相的是輸出波形的占空比，因?yàn)榭刂破魍ㄟ^(guò)位置電信號(hào)的邏輯變換來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相，傳感器輸出各相波形的占空比如圖5所示。

由圖5可知，光柵傳感器輸出波形的占空比分別為49.76%、49.73%、50.20%與霍爾傳感器的49.76%、50.48%、49.97%的占空比值相接近，然而在電機(jī)加速和減速過(guò)程中，由于霍爾元件響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致占空比發(fā)生波動(dòng)，而光柵位置傳感器的遮光盤(pán)的透光弧可以通過(guò)改變弧度來(lái)實(shí)現(xiàn)元件占空比值的變化，可以通過(guò)多次測(cè)試來(lái)找出最佳角度，保證占空比約為50%。

圖5 位置傳感器三相占空比Fig.5 The duty cycle of position sensor three-phase

4 位置傳感器電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了在峰谷互補(bǔ)的理論上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)研究光柵位置傳感器較霍爾位置傳感器傳感器的電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制效果的改善性，構(gòu)建永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 抑制脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Suppression of pulsating torque experimental platform

將1#和2#2個(gè)同規(guī)格的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)同軸相連，然后將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與文獻(xiàn)[13～15]所提到的旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器和負(fù)載相連，濾波后輸出脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

步驟1：在光柵傳感器工作下，2臺(tái)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)分別拖動(dòng)同一負(fù)載，轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)，分別測(cè)量出2臺(tái)電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形，如圖7(a)、圖8(a)所示。在同樣的實(shí)驗(yàn)步驟下測(cè)量出霍爾位置傳感器工作時(shí)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形，分別如圖7(b)、圖8(b)所示。

圖7 1 300 r/min時(shí)1#電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形圖Fig.7 1# motor ripple torque waveform when speed is 1 300 r/min

圖8 1 300 r/min時(shí)2#電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形圖Fig.8 2# motor ripple torque waveform when speed is 1 300 r/min

步驟2：2臺(tái)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)同軸運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加到原負(fù)載的2倍，轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸時(shí)的工作電流比與2臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作時(shí)的電流比相同。調(diào)節(jié)2臺(tái)電機(jī)在圓周上的相對(duì)位置時(shí)，需要觀察脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的波形，幅值最小時(shí)即為2組電機(jī)繞組相差15°電角度、2組脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形相位差180°電角度的相對(duì)位置。此時(shí)固定2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，分別測(cè)量光柵式和霍爾式傳感器工況運(yùn)形下，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制波形圖并進(jìn)行頻譜分析。其中光柵式工作下的波形圖如圖9(a)所示，頻譜圖如圖10(a)所示，霍爾式工作下的波形圖如圖9(b)所示，頻譜圖如圖10(b)所示。

圖9 1 300 r/min時(shí)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制波形圖Fig.9 Pulsating torque suppression waveform diagram of two motors when speed is 1 300 r/min

圖10 1 300 r/min時(shí)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制波形頻譜Fig.10 Pulsating torque suppression waveform spectrum of two motors when speed is 1 300 r/min

步驟3：為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，調(diào)節(jié)電機(jī)負(fù)載，改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，觀察電機(jī)在其它工作點(diǎn)時(shí)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形和抑制效果。保持2臺(tái)電機(jī)固定位置，將轉(zhuǎn)速調(diào)整到另一個(gè)數(shù)值(2 040 r/min)重復(fù)步驟1，測(cè)量出光柵式位置傳感器下1#電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形如圖11(a)所示，2#電機(jī)如圖12(a)所示。在同樣參數(shù)下測(cè)量出霍爾位置傳感器下1#電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形圖如圖11(b)所示，2#電機(jī)如圖12(b)。與步驟2類似，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速在2 040 r/min，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸相連并且接負(fù)載，負(fù)載依舊為原負(fù)載的2倍，測(cè)量出抑制后的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形，光柵位置傳感器工作下的抑制結(jié)果圖如圖13(a)所示，頻譜分析圖如圖14(a)所示，霍爾位置傳感器工作下的抑制結(jié)果圖如圖13(b)所示，頻譜分析圖如圖14(b)所示。

圖11 2 040 r/min時(shí)1#電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形Fig.11 Pulsating torque suppression waveform diagram of two motors when speed is 2 040 r/min

圖12 2 040 r/min時(shí)2#電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形Fig.12 Pulsating torque suppression waveform spectrum of two motors when speed is 2 040 r/min

圖13 2 040 r/min時(shí)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制波形Fig.13 Pulsating torque suppression waveform diagram of two motors when speed is 1 300 r/min

圖14 2 040 r/min時(shí)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制波形頻譜Fig.14 Pulsating torque suppression waveform spectrum of two motors when speed is 2 040 r/min

由2種轉(zhuǎn)速下的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形和抑制波形可知，光柵式傳感器運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩正弦性和對(duì)稱性更好，且抑制之后的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩更小。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為四極電機(jī)，工作模式為三相十二狀態(tài)，頻率為電機(jī)頻率的12倍頻，在頻譜分析中取相同轉(zhuǎn)速時(shí)頻率如標(biāo)記黑點(diǎn)所示，通過(guò)對(duì)比可以看出相同轉(zhuǎn)速下光柵位置傳感器下脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩幅值更小也佐證上述分析。以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了位置傳感器對(duì)換相精度及對(duì)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)稱性和正弦性有很大的影響，且光柵位置傳感器較霍爾位置傳感器，電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制效果更優(yōu)。

5 結(jié) 論

本文從二種常用位置傳感器的特性出發(fā)研究了位置傳感器對(duì)換相精度及對(duì)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)稱性和正弦性的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)比分析2種位置傳感器的精度差異，進(jìn)一步通過(guò)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩抑制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光柵位置傳感器下脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形的改善性并且提高了抑制效果。其它位置傳感器的改善性是否更好有待下一步的深入研究。