CN102315814A - 一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法，包括：给定一个目标转速，根据霍尔位置传感器的检测信号计算电机的实际转速，根据目标转速和实际转速的转速差进行比例积分调节控制给定电流；根据给定电流和反馈的实际电流进行比例积分调节得出所需的给定电压值；计算一个电角度周期内的多个角度值，根据计算出的多个角度值和所述给定电压值进行SVPWM控制实现对电机的矢量控制。本发明的一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法，通过电机的矢量控制，使得三相输出电压接近于正弦波，实现了对电机平稳的调速。

Description

一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法。

背景技术

同步电机一般采用旋转变压器作为位置检测装置，由于旋转变压器的价格较高，有些电机也会采用霍尔位置传感器进行位置信号的采样，控制方法采用直流无刷控制方法，这是基于其电机反电动势波形为梯形波的情况。

当电机反电动势为正弦波时，如果采用直流无刷控制方法，因为电机的控制电压波形为方波，方波与电机反电动势的波形不一致，这样会造成电流波形的畸变，使得电机扭矩波动，不能实现对电机平稳的调速。

发明内容

本发明为解决现有技术中电机反电动势为正弦波时采用直流无刷控制方法电机转速不稳的技术问题，提供一种电机转速较稳的电机反电动势为正弦波的基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法。

一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法，其中，所述电机矢量控制方法包括以下步骤：

1)给定一个目标转速，根据霍尔位置传感器的检测信号计算电机的实际转速，根据目标转速和实际转速的转速差进行比例积分调节控制给定电流；

2)根据给定电流和反馈的实际电流进行比例积分调节得出所需的给定电压值；

3)计算一个电角度周期内的多个角度值，根据计算出的多个角度值和所述给定电压值进行SVPWM控制实现对电机的矢量控制。

进一步地，所述步骤3)包括以下步骤：

3-1)将SVPWM控制中的电角度值与6个中断触发对应，在每一个中断触发的初始时刻将一个设定值作为该中断触发的初始角度值；

3-2)在电机转速达到预定转速之后对两次中断触发之间的角度值进行估算得出一个电角度周期内的多个角度值；

3-3)根据估算的一个电角度周期内的多个角度值和步骤2)得出的给定电压值进行SVPWM控制得出三相输出占空比，控制三相输出电压值实现对电机的矢量控制。

在所述步骤3-1)和步骤3-2)之间还包括以下步骤：

3-1-1)对初始角度值进行角度补偿得出最佳的初始角度修正值。

所述步骤3-1-1)是这样实现的：控制电机开环启动，当电机转速达到预定转速之后将电机控制切换为SVPWM控制，改变角度补偿值并找出相同转速下控制电流最小时的最佳角度补偿值，初始角度值与最佳角度补偿值之和即为初始角度修正值。

所述步骤3-2)包括以下步骤：

3-2-1)计算每个程序周期的角度变化量；

3-2-2)将初始角度修正值与多个角度变化量求和得出两次中断触发之间的多个角度值；

3-2-3)重复步骤3-2-1)和步骤3-2-2)得出一个电角度周期内的多个角度值。

所述步骤3-2-1)中每个程序周期的角度变化量为60°*T/t，其中T为程序的控制周期，t为电机转过60°时所用的时间。

所述时间t为对电机转过60°时所用的时间进行滤波后的值。

所述步骤3-1)中的初始角度值为周期性更新后的角度值。

在所述步骤1)、步骤2)或步骤3)的任意步骤之前还进行以下步骤：

S)对霍尔位置传感器的位置采样进行故障判断，当出现故障时停止电机运行。

所述步骤S)是这样实现的：在电机运行过程中判断三个霍尔位置传感器的控制字是否为1-6，当控制字不是1-6时即判断出现故障。

本发明的一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法，通过对目标转速和实际转速的转速差进行比例积分调节控制给定电流，通过对给定电流和电流反馈值进行比例积分调节得出给定电压，通过对计算出的一个电角度周期内的多个角度值和给定电压值得出三相输出占空比，控制三相输出电压值实现对电机的矢量控制，从而使得三相输出电压接近于正弦波，实现了对电机平稳的调速。

附图说明

图1是本发明一种实施方式提供的基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法的流程图；

图2是本发明一种实施方式提供的基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法中计算一个电角度周期内的多个角度值的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一种实施方式，如图1所示，一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法，其中，该电机矢量控制方法包括以下步骤：

1)给定一个目标转速，根据霍尔位置传感器的检测信号计算电机的实际转速，根据目标转速和实际转速的转速差进行比例积分调节控制给定电流；

2)根据给定电流和反馈的实际电流进行比例积分调节得出所需的给定电压值；

3)计算一个电角度周期内的多个角度值，根据计算出的多个角度值和给定电压值进行SVPWM控制实现对电机的矢量控制。

在附图1中，“-”表示两个值求差，如对目标转速和实际转速求差得出转速差；“+”表示两个值求和，如对角度和估算的角度求和。

比例积分调节为本领域技术人员常用的信号处理手段，本领域技术人员可以调用合适的比例积分电路实现对转速和电流的比例积分调节。

本发明的基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法所涉及到的装置包括：电机反电动势为正弦波的电机、三个霍尔位置传感器以及控制芯片。其中控制芯片可以为各种合适的控制装置，如可以为TMS320F2812芯片。三个位置霍尔传感器在空间上按120°分布，在一个电角度周期中三个霍尔信号产生6次变化，将一个电角度周期分成6个扇区(每个扇区为60°)，其中霍尔电平信号可以为101、100、110、010、011、001，即其控制字可以为5、4、6、2、3、1。

控制芯片中可以包括：

电机转速控制模块，用于根据霍尔位置传感器检测的转子位置计算电机的实际转速；

电流检测模块，用于检测电机的实际电流；

比例积分模块，用于对速度和电流进行比例积分调节；

定时器，根据需要用于记录电机中断触发的时间；以及

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)控制模块，用于根据计算出的多个角度值和根据步骤2)确定的给定电压值进行SVPWM控制得出控制电压的三相占空比。

计算电机的实际转速，可以为根据霍尔位置传感器检测的电机转子的位置信号计算电机的实际转速，即计算电机转过的角度以及所用的时间从而计算电机的实际转速；也可以是根据一段时间内的脉冲个数来计算电机的实际转速。

进一步地，如图2所示，步骤3)包括以下步骤：

3-1)将SVPWM控制中的电角度值与6个中断触发对应，在每一个中断触发的初始时刻将一个设定值作为该中断触发的初始角度值；

3-2)在电机转速达到预定转速之后对两次中断触发之间的角度值进行估算得出一个电角度周期内的多个角度值；

3-3)根据估算的一个电角度周期内的多个角度值和步骤2)得出的给定电压值进行SVPWM控制得出三相输出占空比，控制三相输出电压值实现对电机的矢量控制。

SVPWM控制中使用的是电角度值，每一个中断触发的初始角度值输入到SVPWM控制模块中即完成SVPWM控制中的电角度值与6个中断触发对应，而两个中断触发之间的角度值是通过估算得到的，估算完成之后也输入到SVPWM控制模块中进行SVPWM控制。

本发明的电机矢量控制方法利用控制芯片对三个霍尔位置传感器的信号进行捕获，并将芯片的三个捕获端口配置成双沿触发中断，将SVPWM控制中的电角度值与6个中断触发对应起来，在一个中断触发状态的初始时刻将一个设定值作为该中断触发的初始角度值，其他5个触发状态的初始角度值按逆时针相差60°。

由于程序中给定的初始角度值可以是0～360°之间任意的值，所以不一定是最佳的角度值，还要在此基础上进行一个角度补偿，以便找到最佳的初始角度值，角度补偿值也会根据初始角度值的设定而变化，以保证补偿后的角度值为最佳角度值。

即步骤3-1)和步骤3-2)之间还包括以下步骤：

3-1-1)对初始角度值进行角度补偿得出最佳的初始角度修正值。

步骤3-1-1)是这样实现的：控制电机开环启动，当电机转速达到预定转速之后将电机控制切换为SVPWM控制，改变角度补偿值并找出相同转速下控制电流最小时的最佳角度补偿值，初始角度值与最佳角度补偿值之和即为初始角度修正值。

控制电机开环启动可以采用各种合适的方法，如直流无刷控制方法。

通过上述步骤得出初始角度修正值之后便可以直接进行矢量控制方法的启动，在低转速(小于预定转速)时不会进行角度估算，所以在低转速时的控制方法的波形不是正弦波，在电机转速达到预定转速之后开始调用角度估算模块对两次中断触发之间的角度值进行估算。图1中的是否更新角度也是通过判断电机的实际转速是否达到预定转度实现的，当电机的实际转速达到预定转速即开始更新角度(即估算角度并得出具体的角度值)。图1中的角度即为中断触发的初始角度值或初始角度修正值。

另外，为了更好的改善电压的输出波形，步骤3-1)还包括以下步骤：对每一个中断触发的初始角度值进行周期性更新。即周期性的给定每一个中断触发的初始角度值，并以更新后的初始角度值作为当前的初始角度值，以便于更加准确的控制电机转速。

进一步地，角度估算即步骤3-2)包括以下步骤：

3-2-1)计算每个程序周期的角度变化量；

3-2-2)将初始角度修正值与多个角度变化量求和得出两次中断触发之间的多个角度值；

3-2-3)重复步骤3-2-1)和3-2-2)得出一个电角度周期内的多个角度值。

角度估算的原理是：首先认定电机在转过两个扇区时的转速是基本保持不变的，所以电机转过当前扇区的时间和上一个扇区的时间是相等的，因为电机的频率远小于程序的频率，所以在一个扇区的时间内可以将60°电角度细分成更小的角度值，通过控制芯片中的计时器对每次中断触发的时刻进行计时，然后计算两次中断触发时刻(电机转过60°)的时间差，这个时间差就是电机转过这个扇区所用的时间。假设电机转过上个扇区所用的时间为t，程序的控制周期为T，则每过一个程序周期便可以计算出一个角度变化量，其角度变化量为60°*T/t。在下个中断触发之前会计算t/T个角度值，将这些角度值带入SVPWM中进行矢量控制，这样三相输出电压便接近于正弦波，控制程序频率越高，估算的角度值精度也会越高。

其中，电机转过上个扇区的时间t的值不能大于芯片定时器的周期值，否则，t的值会计算不准确。

上述的预定转速的理论值为t等于定时器周期值时的转速，预定转速不能小于该转速，因为低转速时t波动较厉害，所以可以适当提高预定转速值。即预定转速为大于定时器周期值时的电机转速。

由于电机在运行过程中转速会有一定波动，所以时间t为对电机转过60°时所用的时间进行滤波后的值。即检测计算电机完成多级中断触发即转过多个60°时的多个时间，计算这些时间的平均值即完成对时间的滤波，将计算出的平均值作为时间t的值。

在电机的控制运行过程中，还需要对霍尔位置传感器的位置采样进行故障判断，当霍尔位置传感器的位置采样出现故障时要停止电机的运行。即该电机矢量控制方法还包括以下步骤：

S)对霍尔位置传感器的位置采样进行故障判断，当出现故障时停止电机运行。

进一步地，步骤S)是这样实现的：在电机运行过程中判断三个霍尔位置传感器的控制字是否为1-6，当控制字不是1-6时即判断出现故障。

步骤S)可以根据需要设定为在步骤1)、步骤2)或步骤3)任意步骤之前进行，在一个程序周期内只判断一次即可，只要霍尔位置传感器的位置采样出现故障就中断程序的进行并停止电机的运行，这样才能更加平稳的控制电机。

根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法的实施过程如下：

给定一个目标转速，根据霍尔位置传感器的检测信号计算电机的实际转速，根据目标转速和实际转速的转速差做比例积分调节控制给定电流；

根据给定电流和反馈的实际电流进行比例积分调节得出所需的给定电压值；将SVPWM控制中的电角度值与6个中断触发对应，在每一个中断触发的初始时刻将一个设定值作为该中断触发的初始角度值；

对初始角度值进行角度补偿得出最佳的初始角度修正值；

判断电机转速是否达到预定转速；

在电机转速达到预定转速之后对两次中断触发之间的角度值进行估算，即计算每个程序周期的角度变化量，将初始角度修正值与多个角度变化量求和得出两次中断触发之间的多个角度值进而得出一个电角度周期内的多个角度值；

根据计算出的多个角度值和给定电压值进行SVPWM控制得出三相输出占空比，控制三相输出电压值实现对电机的矢量控制。

本发明的一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法，通过对目标转速和实际转速的转速差进行比例积分调节控制给定电流，通过对给定电流和电流反馈值进行比例积分调节得出给定电压，通过对计算出的一个电角度周期内的多个角度值和给定电压值得出三相输出占空比，控制三相输出电压值实现对电机的矢量控制，从而使得三相输出电压接近于正弦波，实现了对电机平稳的调速。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于霍尔位置传感器的电机矢量控制方法，其特征在于，所述电机矢量控制方法包括以下步骤：

1)给定一个目标转速，根据霍尔位置传感器的检测信号计算电机的实际转速，根据目标转速和实际转速的转速差进行比例积分调节控制给定电流；

2)根据给定电流和反馈的实际电流进行比例积分调节得出所需的给定电压值；

3)计算一个电角度周期内的多个角度值，根据计算出的多个角度值和所述给定电压值进行SVPWM控制实现对电机的矢量控制。

2.如权利要求1所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：

3-1)将SVPWM控制中的电角度值与6个中断触发对应，在每一个中断触发的初始时刻将一个设定值作为该中断触发的初始角度值；

3-2)在电机转速达到预定转速之后对两次中断触发之间的角度值进行估算得出一个电角度周期内的多个角度值；

3-3)根据估算的一个电角度周期内的多个角度值和步骤2)得出的给定电压值进行SVPWM控制得出三相输出占空比，控制三相输出电压值实现对电机的矢量控制。

3.如权利要求2所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述步骤3-1)和步骤3-2)之间还包括以下步骤：

3-1-1)对初始角度值进行角度补偿得出最佳的初始角度修正值。

4.如权利要求3所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述步骤3-1-1)是这样实现的：控制电机开环启动，当电机转速达到预定转速之后将电机控制切换为SVPWM控制，改变角度补偿值并找出相同转速下控制电流最小时的最佳角度补偿值，初始角度值与最佳角度补偿值之和即为初始角度修正值。

5.如权利要求3所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述步骤3-2)包括以下步骤：

3-2-1)计算每个程序周期的角度变化量；

3-2-2)将初始角度修正值与多个角度变化量求和得出两次中断触发之间的多个角度值；

3-2-3)重复步骤3-2-1)和步骤3-2-2)得出一个电角度周期内的多个角度值。

6.如权利要求5所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述步骤3-2-1)中每个程序周期的角度变化量为60°*T/t，其中T为程序的控制周期，t为电机转过60°时所用的时间。

7.如权利要求6所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述时间t为对电机转过60°时所用的时间进行滤波后的值。

8.如权利要求2所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述步骤3-1)中的初始角度值为周期性更新后的角度值。

9.如权利要求1所述的电机矢量控制方法，其特征在于，在所述步骤1)、步骤2)或步骤3)的任意步骤之前还进行以下步骤：

S)对霍尔位置传感器的位置采样进行故障判断，当出现故障时停止电机运行。

10.如权利要求9所述的电机矢量控制方法，其特征在于，所述步骤S)是这样实现的：在电机运行过程中判断三个霍尔位置传感器的控制字是否为1-6，当控制字不是1-6时即判断出现故障。

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