CN102347726A - 电机控制中转子位置观测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机控制中转子位置的观测与控制方法和装置。它能对电机转子初始位置角进行观测；通过软件进行在线辨识，消除因霍尔传感器安装角度不精确引起的角度误差；提供实时速度检测程序，消除因角速度ω不精确引起的角度积累误差；当电机在矢量控制运行过程中精确跟踪转子位置角，防止转子角度溢出，实现反转时机的自检测；当某个传感器出现故障时，系统能够自己判断出故障点，并进行自适应达到依旧能正常运行的功能。本发明减少对硬件电路的依赖，能实现对转子位置角的观测及实时跟踪，其故障判断的功能可用于保护电机，防止电机堵转或者跑飞造成损失，对电动汽车、精密机床领域具有很大的实用价值。本发明运行可靠、成本低、适用面广。

Description

电机控制中转子位置观测的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制中转子位置的观测与控制方法和装置，特别是具有转子位置检测及角度计算的方法及装置，具体是一种在矢量控制中对转子角度信息进行精确观测的方法和装置。本发明可以提高电机的运行性能，并且加入了转子加速度的计算方法，提高了电机响应速度，对简化矢量控制控制程序，降低硬件成本具有重要意义。 

背景技术

随着技术更新的步伐逐渐加快，人们对电机控制性能的要求也越来越高，传统的电机控制方式已经渐渐不能满足人们的生产、生活需要，而矢量控制技术因其良好的控制性能已成为电机控制的首选技术。 

在矢量控制技术的实现过程中，最关键的因素在于对转子位置角的精确测量及计算，传统方式通过光电编码器或旋转变压器虽然能达到比较好的位置测量效果，但是却存在着成本过高，程序开销过大的缺点，对控制芯片性能与系统成本提出了较高的要求。 

影响矢量控制性能的因素主要有初始角的确定，角速度计算，加减速波动等原因。由矢量控制D-Q解耦公式： 

可知，励磁分量和转矩分量与转子位置角有密切关系。假如在转子位置角的观测过程中出现偏差不仅会造成电机转动不平滑的问题，严重时甚至会引起系统崩溃，可能会造成很大损失。所以，如何有效、精确的观测转子位置角是矢量控制中至关重要的一个环节。目前多采用用硬件传感器进行转子位置观测，如霍尔传感器，光电编码器，旋转变压器等，其中霍尔传感器价格便宜，应用最广，但是直接应用在矢量控制时其观测精度不足，不能满足对电机平滑性的要求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机控制中转子位置的观测与控制方法和装置，它能对电机转子初始位置角进行观测；通过软件进行在线辨识，消除因霍尔传感器安装角度不精确引起的角度误差；提供一种实时速度检测程序，消除因角速度ω不精确引起的角度积累误差；当电机在矢量控制运行过程中精确跟踪转子位置角，防止转子角度溢出，实现反转时 机的自检测；当某个传感器出现故障时，系统能够自己判断出故障点，并进行自适应达到依旧能正常运行的功能。并且在电机启动和运行中引入了加速度的概念，对提高启动性能，加快响应速度作用明显。本发明可减少对硬件电路的依赖，是一种软件开支小，跟随精度高的软硬件系统，该系统能够实现对转子位置角的观测及实时跟踪，其故障判断的功能，能用于保护电机，防止电机堵转或者跑飞造成损失，尤其是对电动汽车、精密机床而言，具有很大的实用价值。本发明运行可靠、成本低、适用面广。 

本发明提供的电机控制中转子位置观测与控制方法的装置包括硬件部分与软件部分： 

硬件部分：主要由霍尔位置传感器与信号检测电路组成，作用为得到转子位置信息。霍尔位置传感器由三个霍尔元件组成，霍尔元件采用120°放置，由此构成的霍尔位置传感器会输出三个0/1信号，这三个信号分别输入三个6N137型光耦，经光耦隔离后得到稳定的位置信号，并输入MCU的I/O端口，由MCU进行数据处理，对照表1得到转子位置信息。 

软件部分：主要由初始角度观测控制程序；防止角度溢出程序；正反转程序；故障检测程序；故障状态下保证电机正常运行程序五部分组成。各部分具体实现方法为： 

初始角度观测程序：此程序通过分析硬件观测部分采集到的位置数据，对照表1得到转子对应的实际角度，并记录每一相霍尔状态对应的角度值，通过每相霍尔状态持续时间及所占电角度获得角速度ω及转子位置角θ，将得到的ω和θ应用于矢量控制程序。 

防止角度溢出程序：由上一程序得到ω，可实时计算转子位置角θ，并判断θ是否溢出，假如θ溢出则不再对θ进行加减运算，直至收到一转子定位信号之后再进行对θ的运算；假如θ没有溢出，则对θ进行正常运算。 

正反转程序：当MCU没有收到反转信号时，对PWM输出进行正常运算，收到反转信号时则首先停止PWM信号输出，并实时记录每相霍尔状态持续时间；当霍尔状态持续时间没有达到规定长度时则继续封锁PWM输出，当霍尔状态持续时间达到规定长度时，则允许PWM输出，并进入反转运行状态。 

故障检测程序：在程序初始化之后首先检测霍尔状态是否符合正常状态，不符合正常状态则进入故障运行，符合则进入下一通电组合；电机进入正常运行时，要实时监测霍尔状态，霍尔出现读数重复时要及时切入故障状态运行，并判断霍尔状态是否符合正反转理论读数顺序，不符合则说明霍尔故障进行报警，符合则记录6个霍尔状态及所占时间，计算霍尔角度。 

故障状态下保证电机正常运行程序：霍尔故障时首先判断是初始运行时出现故障还是运行中出现故障，假如是初始运行时出现故障则采用定时输出脉冲的方法启动电机，假如是运行过程中出现错误则利用惯性进行霍尔读数检测；随后判断正反转，记录一个周期内的霍尔读数，使之与正常状态下的霍尔读数进行比较，筛选出正确状态；角速度ω的计算采用一个电周期计算一次平均值的方法而不是每个霍尔状态计算一次的方法，而转子定位则每个电周期定位一次的方法而不是正常状态的每个电周期定位六次的方法。这样依然能 得到转子角速度ω与转子角度θ。 

本发明提供的一种电机控制中转子位置的观测与控制方法包括的步骤： 

1)采用霍尔位置传感器检测电机转子初始位置，霍尔位置传感器根据转子所处位置不同会有高低电平两种状态，利用三个霍尔传感器便可得到电机转子对应的六个状态。霍尔位置传感器的输出状态经过一级光耦隔离，滤除噪声，将正确的状态传入MCU，即能检测出转子的初始位置，为下一步电机启动后计算电机转子位置角提供初始角度。 

所述的电机转子对应的状态是通过移相控制的方式确定转子与霍尔传感器的位置对应关系，即六个状态全部确定后将电机静止在某一通电状态，根据所对应的霍尔读数调节霍尔盘，使转子位置位于霍尔读数所代表的电角度的中间位置，这样控制电机的正反转就可确定下来。 

2)电机启动过程中实时监测每个霍尔状态的持续时间进而决定霍尔所占的实际电角度，有了这一角度值，进入矢量运行时便可对转子进行精确定位；通过每一霍尔状态持续时间以及此相霍尔状态所占电角度既可判断此时的转子速度，进而可以计算两个霍尔状态之间的转子位置θ，因为每经过一相霍尔状态都会对速度信息进行计算，实时性大大提高，转子角度判断更加精准。 

3)电机矢量控制运行时，因为会存在延迟及其他因素的干扰，有可能造成转子角度溢出。此时需要加入转子角度判断程序，当转子角度达到当前霍尔相极限，及时将转子角度钳制在当前霍尔相最大值，防止转子角度超前量过大。直到下一相转子定位信号到达时再转入正常程序运行。 

当电机反转时，要加入检测反转时机的控制算法。即实时判断每一相霍尔状态持续时间，直到有一相霍尔状态持续时间达到要求值，此时再将程序转入反转运行。 

4)当电机霍尔故障时，通过故障霍尔的霍尔状态可提取仍然正确的转子位置，进而通过改变程序运行方式可以保证电机继续正常运行。 

本发明提供了一种电机控制中转子位置观测与控制方法和装置，它能对电机转子初始位置角进行观测。本发明可减少对硬件电路的依赖，是一种软件开支小，跟随精度高的软硬件系统，该系统能够实现对转子位置角的观测及实时跟踪，其故障判断的功能，能用于保护电机，防止电机堵转或者跑飞造成损失，尤其是对电动汽车、精密机床而言，具有很大的实用价值。本发明运行可靠、成本低、适用面广。 

下面结合附图对本发明进一步说明。 

附图说明

图1霍尔传感器的安装图。 

图2霍尔传感器输出波形组合图。 

图3.1带有转子位置观测器电机控制器。 

图3.2独立的转子位置观测器。 

图4霍尔传感器波形检测电路。 

图5无刷直流电机电流与感应电动势波形。 

图6霍尔故障后示意波形图。 

图7角度观测控制流程图。 

图8.1矢量控制中防止角度溢出流程图。 

图8.2矢量控制正反转流程图。 

图9.1故障检测流程图。 

图9.2故障状态下保证电机正常运行流程图。 

具体实施方式

本发明提供的一种电机控制中转子位置观测硬件部分主要为霍尔位置传感器与检测电路，如上所述的转子位置观测器有两种实现形式，一是嵌入到电机控制器中，成为带有转子位置观测器的电机控制器，转子位置观测器使用电机控制器的MCU；二是独立的转子位置观测器，独立的转子位置观测器的MCU受电机控制器的MCU控制。 

本发明提供的一种电机控制中转子位置观测与控制方法主要包括的步骤： 

电机转子初始位置检测； 

接收霍尔盘信号并对信号进行处理的转子位置及速度算法； 

利用转子位置及速度信息进行矢量控制的矢量控制； 

当霍尔出现故障导致输出信号不正常时既霍尔故障状态下的安全运转。 

1)电机转子初始位置检测，用于实现电机控制启动过程中对电机转子初始角度的检测，以及矢量控制中按霍尔状态对应角度信息的采集，通过移相控制的方式确定转子与霍尔传感器的位置对应关系，可确定电机正反转程序所需信息。此模块采用霍尔位置传感器检测电机转子初始位置，霍尔位置传感器根据转子所处位置不同会有高低电平两种状态，利用三个霍尔传感器便可得到电机转子对应的六个状态。霍尔位置传感器的输出状态经过一级光耦隔离，滤除噪声，将正确的状态传入MCU，即能检测出转子的初始位置，为下一步电机启动后计算电机转子位置角提供初始角度。 

2)转子精确位置及速度的算法，根据霍尔传感器的安装角度不同，霍尔传感器输出状态也会不一样，但在每个电周期内，都会产生六个不同的霍尔状态，每个霍尔状态理论上各占60°，但由于霍尔传感器的安装原因以及受磁钢的制作工艺影响，实际角度会产生不对称。此时需要进行对每个角度进行在线辨识，并通过每个霍尔状态所占电角度进行角速度ω的精确计算。以便于实现矢量控制中转子角度的实时跟踪，为使用低精度的位置传感器对角度进行精确观测，设计了一种实时角度观测程序，使低精度的位置传感器也能实现矢量控制对角度的精确要求。首先确定每个霍尔状态所占实际电角度，确定一个电周期六个定位点的实际位置；然后实时计算每个霍尔状态所持续时间，以此计算电机转子实时速度，并通过此信息计算电机转子精确角θ，精度要求可根据需要制定；最后将其应用于永磁同 步电机的矢量控制系统； 

3)矢量控制，此模块中提出了直接利用矢量控制启动电机的方法以及估算加速度提高转子对指令值响应速度的方法，当电机稳定运行时可利用上述两步得到的精确的转子位置，可将跟踪结果运用于电机的矢量控制中。用于矢量控制中时每个电周期会进行六次转子位置定位，以提高转子位置精度，并且在此模块中加入防止转子位置角溢出的程序，以及电机正反转时，电机反转时机的自检测功能； 

4)霍尔故障状态下的安全运转，与电机控制器所配套的霍尔传感器一般寿命要小于电机，一旦霍尔传感器故障，对电机影响将会很大，为了尽量保证电机的安全运行，设计了一种判断霍尔传感器故障的检测方法。用于在霍尔传感器出现故障情况时保证电机能正常运行，通过实时对霍尔传感器状态进行检测，保证随时发现霍尔是否故障，发现故障后可根据故障检测流程图在故障状态下保证电机正常运行。 

结合附图详细描述本发明如下： 

如图1所示，本发明是一种通过霍尔传感器检测转子位置，并结合数字信号处理器对采集到的信号进行处理，得到转子精确位置信息的装置，下称转子位置检测器，可以实现在矢量控制领域对电机转子进行实时精确的位置观测。 

1)电机转子初始位置检测装置，如图1霍尔传感器的安装角度所示，采用霍尔传感器或者其他能检测电机转子初始位置的电子元器件对电机转子位置进行初始检测，结合图4所示电路，即能检测出转子的初始位置，为下一步电机启动后计算电机转子位置角提供初始角度。 

2)电机转子运行过程中转子位置的观测、计算方法，如图2(霍尔传感器60°安装和120°安装)霍尔传感器输出状态图所示，在每个电周期内，产生六个不同的霍尔状态，每个霍尔状态理论上各占60°，但由于霍尔传感器的安装原因以及受磁钢的制作工艺影响，实际角度会产生不对称。此时需要进行对每个角度进行在线辨识，并通过每个霍尔状态所占电角度进行角速度ω的精确计算。 

3)矢量控制中的应用，采用上述方法可以精确的实现对转子位置的跟踪，可将跟踪结果运用于电机的矢量控制中。但是应用于矢量控制中时，对转子角度可能溢出的问题要进行解决，并且在电机运行过程中要实现正反转指令给定后，对反转时机进行自检测。 

4)霍尔传感器缺相运行自纠正，电机寿命一般都有几十年，而电机控制器所配套的霍尔传感器一般寿命要小于电机。而一旦霍尔传感器故障，对电机影响将会很大，为了尽量保证电机的安全运行，设计了一种判断霍尔传感器故障的检测方法。通过对霍尔状态的检测判断那相霍尔出现故障，然后程序转入专门针对霍尔故障后的状态进行运转。 

本发明的转子位置观测方法有两种形式：一种是嵌入到电机控制器中，成为带有转子位置观测器电机控制器，如图3.1所示；另一种是独立的转子位置观测器，如图3.2所示。 

本发明提供的电机控制中转子位置观测的装置的实现方法包括的步骤： 

以霍尔安装角度为120°，永磁同步电机极对数3为例，对转子位置观测器的功能实现 情况描述如下： 

一、霍尔盘的定位安装 

首先对霍尔位置传感器进行状态检测，检测电路见图4，霍尔盘由三个霍尔元件组成，由于本例采用的是3对极永磁同步电机，同时霍尔元件采用120°放置，这时由霍尔盘输出的三个信号分别输入三个光耦，经光耦隔离后输入MCU的I/O端口，进行数据处理。以此对霍尔信号进行识别，由图3可知，六个状态的读数分别为5、4、6、2、3、1。 

随后对霍尔盘进行定位，由图2可知，120°安装角度的霍尔盘有六个有效状态即为5、4、6、2、3、1，根据这一规则，首先对电机进行移相通电，判断每两相通电时对应的霍尔状态，例AB通电时霍尔状态读数为1，AC通电霍尔状态为5，以下各相分别为BC对应4，BA对应6，CA对应2，CB对应3。然后对电机AB两相通电，当电机稳定不动时，此时电机转子对应的位置为BC位置，此时读数为1，随后保证转子静止，左右调整霍尔盘同时观测霍尔输出状态，霍尔读数分别为3、5时进行标记，得到3、5对应的位置后将霍尔盘调整至3、5位置的中间，此时，霍尔盘调整完毕。 

二、确定霍尔状态与转子位置的对应关系 

由图5可知，当通AB相时，转子稳定位置为BC通电的初始位置，由此可知，AB-BC，AC-BA，BC-CA，BA-CB，CA-AB，CB-AC。这样就找到了霍尔状态同转子位置的对应关系。根据图2所得到的霍尔状态，以及图5所示的转子位置对应关系，可以得到霍尔状态与转子位置的实际对应关系，并且可以得到电机工作在移相状态下的正反转对应关系，见表1。 

表1：转子与霍尔传感器的位置对应关系 

定子通电相数	转子稳定位置	霍尔读数	正转时应通电相	反转时应通电相
					AB	BC	1	CA  4	CB  2
AC	BA	5	CB  6	AB  3
					BC	CA	4	AB  2	AC  1
BA	CB	6	AC  3	BC  5
					CA	AB	2	BC  1	BA  4
CB	AC	3	BA  5	CA  6

三、电机运行中转子位置的实时观测 

霍尔位置确定好之后，就可以进行转子位置信息的采集，理论上应该是对称分布且每相霍尔状态占60°电角度，由于霍尔安装角度的偏差以及磁钢制作精度的影响，每一相都会出现不同程度的偏差，为了尽力纠正这一严重影响转子角度观测精度的误差，现在提出一种根据霍尔换相时间自动计算霍尔状态所占时间的计算方法。首先当霍尔进入某一状态时，计数器开始计数，退出这一状态时停止计数，并保存计数时间记为T₁，其他霍尔状态计数时间类同，当转子运行完一个完整的电角度时，所有六个霍尔状态所占时间都可以被 保存下来，分别为T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆。此时即可以计算每一相霍尔状态在一个电周期内所占角度，将所占比例乘上每一电角度代表的步数即可得到每一相霍尔状态所角度值代表的步数，根据此方法可知道每一相霍尔状态所代表的真实角度，这样就为更精确的表示速度ω提供了可能。 

由公式ω＝α/T可以得到此时转子的速度，用每一相霍尔状态所代表的角度除以此相状态所用时间即可得到实时角速度ω。当计算出实时速度之后，为了更加精确的观测转子位置，在每一个霍尔状态的改变点上进行一次转子定位，并重新计算速度ω，这样在每一个电周期内会进行六次定位，而每一次定位都是十分精确的，加上速度的实时性，此时转子角度的精确性已经能完全满足矢量控制的要求。角度观测控制流程图见图7。 

此种方法每个电周期会进行六次角度计算，要比按照理想状态所计算的平均速度在精确度上有很大提高。 

四、矢量控制运行 

在电机的启动过程中，为更好的保证转矩平滑，提出一种利用霍尔传感器状态估测转子位置，并估算电机初始加速度的方式进行启动的方法。如表1所示，当霍尔传感器读数为1时，表示转子位置处于AC与BC之间，此时可定义转子位置在AC与BC中心，便可得到转子的位置角度，设置初始加速度为电机转矩/电机质量，便可估算出转子加速度，有了转子位置与加速度便可直接利用矢量控制程序进行电机的启动。当电机开始转动之后即可转入正常程序运行。 

电机运转过程中，为了更好的响应外部指令，在电机转子角度计算时，不仅要考虑转子平均速度，也要考虑转子加速度。转子加速度可以用公式a＝v₁-v₂/t表示。利用转子当前速度减去上一次速度，所得Δ_v除以上一次霍尔状态所持续时间t即可得到转子加速度。转子加速度的加入可以极大的提高转子对指令值的响应速度。 

采用上述方法可以实现对转子角度的精确跟踪，但是在实际应用中，仍然可能存在转速下降等干扰因素，造成转子估算角度溢出，即当转子估算角度达到当前霍尔状态对应的角度最大值，而转子实际位置信号还未到达时，假如依然采用先前的角度计算方法，会导致转子估算角度超前。此时需要加入转子角度判断程序，当转子角度达到当前霍尔相位极限，及时将转子角度钳制在当前霍尔相位最大值，防止转子角度超前量过大。当下一相转子定位信号到达时再转入上述正常程序运行。 

当电机反转时，角度检测方法和上述正转方法一致，只是将角度计算的增量由加变为减，同样需要加入防止角度溢出的算法。当控制芯片收到反转指令时，要加入检测反转时机的控制算法，即实时判断每一相霍尔状态持续时间，直到有一相霍尔状态持续时间达到设定值，此时再将程序转入反转运行，这样对电机的影响会降到最低。 

具体流程图见图8.1，矢量控制中防止角度溢出流程图；图8.2矢量控制正反转流程图。 

五、霍尔故障处理 

由图6可知，霍尔故障后会有两种故障输出，低或高。表2可知，当三个霍尔元件中有一个霍尔出现故障时，仍然会有三个状态是正确的，这样就为我们在霍尔出现故障时保证程序正常运行提供了依据。 

表2：霍尔传感器出现故障时的输出状态 

当霍尔出现故障时，会出现两个读数一样的霍尔状态或者一个不存在的霍尔状态，此时只要在正常程序中加入故障检测即可。 

当电机刚开始启动时，假如霍尔出现故障，使用传统的两两换相的启动方式电机将不能启动或者转矩脉动很大，对电机造成不良影响。为解决这一问题，首先在电机启动时判断霍尔是否完好，如果不完好启动程序切换到定时输出换相脉冲的方式将电机启动，达到一定速度后即可切换到矢量运行状态；当电机正在运行时霍尔出现故障，此时首先停止输出PWM波，以保护设备不受损害，然后切换到故障运行状态，利用电机惯性检测霍尔故障点，判断可以被利用的霍尔状态，并确立转子位置定位点，随后切入矢量运行状态。 

具体流程图见图9.1，故障检测流程图；图9.2故障状态下保证电机正常运行流程图。 

Claims (6)

1.一种电机控制中转子位置的观测与控制方法，其特征在于它包括下述的步骤：

1)采用霍尔位置传感器检测电机转子初始位置，霍尔位置传感器根据转子所处位置不同会有高低电平两种状态，利用三个霍尔传感器便可得到电机转子对应的六个状态；霍尔位置传感器的输出状态经过一级光耦隔离，滤除噪声，将正确的状态传入MCU，即能检测出转子的初始位置，为下一步电机启动后计算电机转子位置角提供初始角度；

2)电机启动过程中实时监测每个霍尔状态的持续时间进而决定霍尔所占的实际电角度，有了这一角度值，进入矢量运行时便可对转子进行精确定位；通过每一霍尔状态持续时间以及此相霍尔状态所占电角度既可判断此时的转子速度，进而可以计算两个霍尔状态之间的转子位置θ；

3)电机矢量控制运行时，加入转子角度判断程序，当转子角度达到当前霍尔相极限，及时将转子角度钳制在当前霍尔相最大值，防止转子角度超前量过大，直到下一相转子定位信号到达时再转入正常程序运行；

当电机反转时，要加入检测反转时机的控制算法，即实时判断每一相霍尔状态持续时间，直到有一相霍尔状态持续时间达到要求值，此时再将程序转入反转运行。

4)当电机霍尔故障时，通过故障霍尔的霍尔状态可提取仍然正确的转子位置，进而通过改变程序运行方式可以保证电机继续正常运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电机转子对应的状态是通过移相控制的方式确定转子与霍尔传感器的位置对应关系，即六个状态全部确定后将电机静止在某一通电状态，根据所对应的霍尔读数调节霍尔盘，使转子位置位于霍尔读数所代表的电角度的中间位置，这样控制电机的正反转就可确定下来。

3.一种权利要求1所述的方法使用的转子位置观测器装置，其特征在于包括：霍尔位置传感器与检测电路，霍尔盘由三个霍尔元件组成，霍尔元件采用120°放置，构成的霍尔盘输出的三个信号，分别输入三个光耦，经光耦隔离后输入MCU的I/O端口，进行数据处理。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的转子位置观测器有两种形式：嵌入到电机控制器中，成为带有转子位置观测器的电机控制器，或是转子位置观测器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的独立的转子位置观测器的MCU受电机控制器的MCU控制。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的带有转子位置观测器的电机控制器中，转子位置观测器使用电机控制器的MCU。

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