CN104038134B - 一种基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法，属永磁同步电机转子位置校正方法，通过采集互差90°电角度的两路线性霍尔输出信号，利用高精度同频提取模块，提取出原始信号中的基波分量，将其送入转子位置角度计算器，解算出转子角位置信息。该方法滤除了原始线性霍尔输出信号中所包含的各次谐波，可补偿线性霍尔位置传感器输出信号的畸变造成的角度误差，算法简单，无需增加硬件，易实现，对位置信号误差补偿实时性好。

Description

一种基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机转子位置误差校正方法，可用于补偿基于线性霍尔传感器的永磁同步电机转子位置检测的误差。

背景技术

永磁同步电机广泛应用于航天、电力、工业制造、仪器仪表等各个工业领域，为实现永磁同步电机的实时控制，需要知道转子相对定子绕组的精确位置。虽然目前有很多关于永磁同步电机无位置传感器控制策略的研究。但在这些控制方法中，电机的启动问题和在低速条件下电机的运行稳定性和控制精度一直是一个难点。所以，借助于位置传感器获取转子位置信息依然是主流方法。由于线性霍尔传感器输出信号连续，可以完整的反映0～360°的转子位置信息，并且体积小、重量轻、成本低，且能较好的适应恶劣的现场环境，所以在实际应用中利用线性霍尔传感器得到较高精度的转子位置是十分可行的方案。但是由于气隙磁场中存在高次谐波，会使得线性霍尔的输出信号产生畸变，造成转子位置角产生误差，影响控制系统性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有控制技术的不足，提供一种基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法，该方法提高了基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置检测精度。

本发明的技术解决方案为：一种基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法，实现步骤如：

(a)采集两路互差90°的线性霍尔输出信号V_sin和V_cos，通过FFT变换算出线性霍尔输出信号的基波分量V_{sin_fun}和V_{cos_fun}，作为理想输出信号，其中V_sin和V_cos分别为线性霍尔输出信号，V_{sin_fun}和V_{cos_fun}分别为V_sin和V_cos的基波分量；

(b)将线性霍尔输出信号V_sin和V_cos分步长和理想输出信号作比对，分别计算理想输出信号和实际输出信号之间的误差err_{sin_theta}和err_{cos_theta}，其中err_{sin_theta}和err_{sin_theta}分别为线性霍尔输出信号V_sin和V_cos的误差信号，定义为：

$\left\{\begin{array}{c}er{r}_{\sin \_theta}=V_{sin}-V_{sin\_fun}\\ {\mathrm{err}}_{\cos \_theta}=V_{cos}-V_{\cos \_fun}\end{array}\right.$

(c)用误差err_{sin_theta}和err_{cos_theta}作为预校正量，存入查找表中，制成以相位为地址的查找表LUT，然后将预校正量加到下一周期的输入信号上作为校正之后的输出信号V_sin ^*和V_cos ^*，使得校正后的输出信号V_sin ^*和V_cos ^*逼近于理想输出信号V_{sin_fun}、V_{cos_fun}，其中V_sin ^*和V_cos ^*分别为校正之后的线性霍尔信号；

(d)将校正后的输出信号V_sin ^*、V_cos ^*输入到转子位置角度θ计算模块θ＝arctan(V_sin ^*/V_cos ^*)，算出转子位置角度θ，实现永磁同步电机转子位置误差校正。

所述的查找表LUT的生成方法是：分n个采样点，在采样点处将基波分量V_{sin_fun}、V_{cos_fun}的幅值A_1n、A_2n与原始信号的幅值相减，将相减之后的差值err_{sin_n}、err_{cos_n}作为对下一周期的预校正量存入查找表LUT中，制成以相位为地址的查找表LUT；

其中A_1n和A_2n分别为线性霍尔信号基波分量V_{sin_fun}和V_{cos_fun}在第n个采样点处的幅值，和分别为原始线性霍尔信号V_sin和V_cos在第n个采样点处的幅值，err_{sin_n}和err_{cos_n}定义为：

$\left\{\begin{array}{c}er{r}_{\sin \_n}=A_{1n}-A_{V_{sin}n}\\ {\mathrm{err}}_{\cos \_n}=A_{2n}-A_{V_{\cos }n}\end{array}\right.$

实现误差校正系统的具体步骤为：

初始化预校正量查找表LUT，存储线性霍尔输出信号V_sin、V_cos，进入预校正量查找表LUT更新预校正量，继续采集新的线性霍尔信号V_sin′、V_cos′，判断相位，如果为0，则返回前一步更新查找表LUT，如果相位不为0，则查找表中查找对应预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，将其当前采集量V_sin′、V_cos′相加，得到校正后的信号V_sin ^*、V_cos ^*，将其送到转子位置角度计算器计算当前转子位置角度θ，其中V_sin′和V_cos′分别为下一个周期的线性霍尔元件采集的原始信号，err_{sin_i}和err_{cos_i}分别为查找表LUT中的第i个预校正量；

所述的预校正量查找表LUT的更新步骤为：

对所存储的一个周期的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos做FFT变换，将其基波分量V_{sin_fun}和V_{cos_fun}的幅值和频率分别存储，设定采样点个数n，查阅所存储的V_sin和V_cos以及基波分量的数据，在采样点i处计算预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，存储至预校正量查找表LUT的对应位置，如果i＝n，则更新结束，退出预校正量查找表LUT更新程序，反之则继续更新。

上述方案的原理是：线性霍尔传感器输出信号为连续信号，可以反映全范围内转子位置信息，两路互差90°的线性霍尔输出信号可以作为转子位置角度的正弦和余弦值，通过对这两路信号的比值做反正切运算就可以得到所述转子位置角度，但是线性霍尔输出波形并非标准正弦和余弦曲线，而是产生了畸变，因此，采集两路互差90°的线性霍尔输出信号V_sin和V_cos，通过FFT变换算出线性霍尔输出信号的基波分量V_{sin_fun}、V_{cos_fun}的频率ω和幅值A₁、A₂，作为理想输出信号。设定采样点个数n，在采样点处将基波分量V_{sin_fun}、V_{cos_fun}的幅值A_1n、A_2n与原始信号的幅值相减，将相减之后的差值err_{sin_n}和err_{cos_n}作为对下一周期的预校正量存入查找表LUT中，制成以相位为地址的查找表LUT。采集新的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos，以对应的相位为地址查找查找表LUT，将对应的预校正量err_{sin_n}、err_{cos_n}加到新采集的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos，作为新的输出信号V_sin ^*、V_cos ^*，将其输入到转子位置角度θ计算模块θ＝arctan(V_sin ^*/V_cos ^*)，算出转子位置角度θ，达到永磁同步电机转子位置误差校正的目的，实现了基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差的精确校正。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明补偿了由于气隙磁场而产生的高次谐波引起的线性霍尔传感器输出信号的畸变造成的转子位置角度的误差，提高了基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置检测的校正。采用数字预校正器(DigitalPre-Distortor)实施校正补偿了传感器输出信号的误差，使用校正后的信号计算转子位置角度，提高了转子位置角度解码精度。本发明的控制算法简单、调试灵活、易于实现。

附图说明

图1为本发明的系统结构组成框图；

图2为数字预校正系统结构框图；

图3为本发明的误差校正系统的整体流程图；

图4为本发明的预校正量查找表LUT的更新流程图。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，本发明的具体方法如下：

(1)如图1所示，本发明所适用的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机控制系统包含两个输出信号互差90°的线性霍尔传感器，它们输出信号分别为V_sin、V_cos，采集这两个互差90°电角度的线性霍尔输出信号V_sin和V_cos作为原始线性霍尔信号，存储一个电周期的信号V_sin、V_cos，存储结束之后对V_sin、V_cos分别进行FFT变换，变换后的信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\sin }=A_1\sin \mathrm{\θ}+A_2\sin 2\mathrm{\θ}+A_3\sin 3\mathrm{\θ}+\mathrm{...}+A_n\sin n\mathrm{\θ}\\ V_{\cos }=B_1\cos \mathrm{\θ}+B_2\cos 2\mathrm{\θ}+B_3\cos 3\mathrm{\θ}+\mathrm{...}+B_n\cos n\mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

提取基波分量A₁sinθ、B₁cosθ，得到线性霍尔输出信号V_sin和V_cos基波分量V_{sin_fun}和V_{cos_fun}，作为线性霍尔输出信号V_sin和V_cos的理想输出信号，其中V_sin和V_cos分别为线性霍尔输出信号，V_{sin_fun}和V_{cos_fun}分别为V_sin和V_cos的基波分量，定义为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\sin \_fun}=A_1\sin \mathrm{\θ}\\ V_{\cos \_fun}=B_1\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

(2)将一个周期的线性霍尔输出信号V_sin和V_cos经过信号调理电路后作为输入信号进入转子位置角度计算系统，设定采样点个数n，分步长1/n和理想输出信号V_{sin_fun}和V_{cos_fun}作比对，计算理想输出信号和实际输出信号之间的误差err_{sin_theta}和err_{cos_theta}，定义为：

$\left\{\begin{array}{c}er{r}_{\sin \_theta}=V_{sin}-V_{sin\_fun}\\ {\mathrm{err}}_{\cos \_theta}=V_{cos}-V_{cos\_fun}\end{array}\right.$

分别在采样点i(1≤i≤n)处计算预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，预校正量为采样点处基波分量值减去采样值，则在采样点i处预校正量得到表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{err}}_{\sin \_i}=A_{1i}-A_{V_{\sin }i}\\ {\mathrm{err}}_{\cos \_i}=B_{1i}-B_{V_{\cos }i}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)用误差err_{sin_theta}和err_{cos_theta}作为预校正量，以对应采样点的相位θ为地址，将采样点i处的预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}存储到查找表LUT对应位置,之后继续计算并存储下一个采样点i+1处的预校正量，在一个周期内，将全部n个采样点的预校正量全部计算并存储完毕，制成以相位为地址，err_{sin_n}和err_{cos_n}为预校正量的查找表LUT，采集下一个周期的线性霍尔输出信号V_sin′、V_cos′，判断相位，在查找表LUT中查找对应的预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，将预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}加到V_sin′、V_cos′，得到校正后的霍尔信号V_sin ^*、V_cos ^*，表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{V_{\sin }}^{*}={V_{\sin }}^{\′}+{\mathrm{err}}_{\sin \_i}\\ {V_{\cos }}^{*}={V_{\cos }}^{\′}+{\mathrm{err}}_{\cos \_i}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中V_sin′和V_cos′分别为下一个周期的线性霍尔输出信号，V_sin ^*和V_cos ^*分别为校正之后的线性霍尔信号。

(4)信号V_sin、V_cos经过数字预校正系统处理，输出校正之后的线性霍尔信号V_sin ^*、V_cos ^*到转子位置角度计算器，转子位置角度计算器计算出当前转子位置角度θ，计算公式表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&theta;}=\arctan \frac{{V_{\sin }}^{*}}{{V_{\cos }}^{*}}& {V_{\sin }}^{*}\&GreaterEqual;0,{V_{\cos }}^{*}\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&theta;}=\arctan \frac{{V_{\sin }}^{*}}{{V_{\cos }}^{*}}+\mathrm{\&pi;}& {V_{\cos }}^{*}<0\\ \mathrm{\&theta;}=\arctan \frac{{V_{\sin }}^{*}}{{V_{\cos }}^{*}}+2\mathrm{\&pi;}& {V_{\sin }}^{*}<,{V_{\cos }}^{*}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.---\left(1\right)$

之后再进入(1)，继续计算下一个转子位置角度θ。

如图3所示为本发明所述的误差校正系统的软件流程，具体实现步骤为：程序上电开始时，首先初始化预校正量查找表LUT，之后采集并存储一个电周期的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos，存储结束之后进入预校正量查找表LUT更新模块进行预校正量数据更新，数据更新之后继续采集新的线性霍尔信号V_sin′、V_cos′，判断所采集数据V_sin′、V_cos′的相位，如果当前采集量V_sin′、V_cos′的相位为0，则返回前一步采集存储一个电周期的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos，更新查找表LUT，如果当前采集量V_sin′、V_cos′的相位不为0，则判断当前采集量V_sin′、V_cos′的相位，在查找表中查找对应预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，将预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}和当前采集量V_sin′、V_cos′相加，得到校正后的输出信号V_sin ^*、V_cos ^*，将校正后的输出信号V_sin ^*、V_cos ^*送到转子位置角度计算器计算当前转子位置角度θ，判断程序结束标志位，如果不结束，则返回采集新的线性霍尔信号V_sin′、V_cos′，判断相位计算角度，否则终止程序。

如图4所示为本发明所述的预校正量查找表LUT更新的软件流程，具体实现步骤为：进入预校正量查找表LUT更新软件模块后，首先对采集存储的一个周期的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos做FFT变换，之后存储基波的幅值和频率，设定采样点个数n，调取存储的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos的数据和所存基波的数据，在采样点i处计算预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，将计算结果以相位为地址存储至预校正量查找表LUT的对应位置，令i＝i+1，判断i＝n，如果不相等，则更新没有结束，返回采集第i组数据并继续更新，如果相等，则更新结束，退出预校正量查找表LUT更新程序。

本发明可以作为一种通用的补偿基于线性霍尔的永磁同步电机的转子位置误差的方法，可以较为精确的补偿由于线性霍尔传感器输出信号的畸变尤其是高次谐波所引起的畸变引起的转子位置角度的误差，容易实现，且对位置信号误差补偿实时性好。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法，其特征在于实现步骤如：

(a)采集两路互差90°的线性霍尔输出信号V_sin和V_cos，通过FFT变换算出线性霍尔输出信号的基波分量V_{sin_fun}和V_{cos_fun}，作为理想输出信号，其中V_sin和V_cos分别为线性霍尔输出信号，V_{sin_fun}和V_{cos_fun}分别为V_sin和V_cos的基波分量；

(b)将线性霍尔输出信号V_sin和V_cos分步长和理想输出信号作比对，分别计算理想输出信号和实际输出信号之间的误差err_{sin_theta}和err_{cos_theta}，其中err_{sin_theta}和err_{sin_theta}分别为线性霍尔输出信号V_sin和V_cos的误差信号，定义为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{err}}_{\sin \_theta}=V_{sin}-V_{sin\_fun}\\ {\mathrm{err}}_{\cos \_theta}=V_{cos}-V_{\cos \_fun}\end{array}\right.$

(c)初始化预校正量查找表LUT，即用误差err_{sin_theta}和err_{cos_theta}作为预校正量，存入查找表中，制成以相位为地址的查找表LUT，然后将预校正量分别在对应点处与下一周期的输入信号相加作为校正之后的输出信号V_sin ^*和V_cos ^*，使得校正后的输出信号V_sin ^*和V_cos ^*逼近于理想输出信号V_{sin_fun}、V_{cos_fun}，同时更新查找表LUT，即为实现误差校正系统的方法，其中V_sin ^*和V_cos ^*分别为校正之后的线性霍尔信号；

(d)将校正后的输出信号V_sin ^*、V_cos ^*输入到转子位置角度θ计算模块θ＝arctan(V_sin ^*/V_cos ^*)，算出转子位置角度θ，实现永磁同步电机转子位置误差校正。

2.如权利要求1所述的基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法，其特征在于：所述的查找表LUT的生成方法是：分n个采样点，在采样点处将基波分量V_{sin_fun}、V_{cos_fun}的幅值A_1n、A_2n与原始信号的幅值A_Vsinn、A_Vcosn相减，将相减之后的差值err_{sin_n}、err_{cos_n}作为对下一周期的预校正量存入查找表LUT中，制成以相位为地址、err_{sin_n}和err_{cos_n}为预校正量的查找表LUT；

其中A_1n和A_2n分别为线性霍尔信号基波分量V_{sin_fun}和V_{cos_fun}在第n个采样点处的幅值，和分别为原始线性霍尔信号V_sin和V_cos在第n个采样点处的幅值，err_{sin_n}和err_{cos_n}定义为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{err}}_{\sin \_n}=A_{1n}-A_{V_{\sin }n}\\ {\mathrm{err}}_{\cos \_n}=A_{2n}-A_{V_{\cos }n}\end{array}\right..$

3.如权利要求1所述的基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法，其特征在于：所述的实现误差校正系统的具体步骤为：

初始化预校正量查找表LUT，存储线性霍尔输出信号V_sin、V_cos，进入预校正量查找表LUT更新预校正量，继续采集新的线性霍尔信号V_sin′、V_cos′，判断相位，如果为0，则返回前一步更新查找表LUT，如果相位不为0，则查找表中查找对应预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，将其当前采集量V_sin′、V_cos′相加，得到校正后的信号V_sin ^*、V_cos ^*，将其送到转子位置角度计算器计算当前转子位置角度θ，其中V_sin′和V_cos′分别为下一个周期的线性霍尔元件采集的原始信号，err_{sin_i}和err_{cos_i}分别为查找表LUT中的第i个预校正量。

4.如权利要求3所述的基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法，其特征在于：所述的预校正量查找表LUT的更新步骤为：

对所存储的一个周期的线性霍尔输出信号V_sin、V_cos做FFT变换，将其基波分量V_{sin_fun}和V_{cos_fun}的幅值和频率分别存储，设定采样点个数n，查阅所存储的V_sin和V_cos以及基波分量的数据，在采样点i处计算预校正量err_{sin_i}、err_{cos_i}，存储至预校正量查找表LUT的对应位置，如果i＝n，则更新结束，退出预校正量查找表LUT更新程序，反之则继续更新。