CN105811828B - 一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制方法。在飞轮直流无刷电机定子上空间120°对称分布安装三相线性霍尔传感器获得与飞轮气隙磁场强度成比例的三相模拟正弦信号，通过数学计算后可获得飞轮的位置和速度信息，和传统飞轮设计上所使用的光电编码器相比，采用三相线性霍尔传感器完成测量飞轮位置和速度的方法结构简单、节约成本；此外，三相模拟正弦信号与三相反电动势有一致的对应关系，利用这种对应关系推导出一种不需要在静止坐标系和旋转坐标系之间互相变换便可以在静止坐标系中直接产生相电流命令的磁场定向控制算法，可实现电机的高效率驱动，减少了对存储和计算资源的要求。将此控制算法应用于飞轮的转速控制，得到了很好的控制效果，具有较高的推广价值。

Description

一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置及方法

技术领域

本发明涉及直流无刷电机领域，特别涉及一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置及方法。

背景技术

使用无刷直流电机的飞轮转速控制系统中，一般采用全桥式驱动电路来控制电机三相绕组电流的导通和关断，从而改变磁场实现对飞轮转速的控制。为了实现对飞轮转速的高精度控制，需要实时采集飞轮位置和速度信息，利用这些反馈信息实现对电机定子电流大小、方向的控制。现有的直流无刷电机控制中，飞轮的位置、速度检测一般通过在电机本体上安装3个开关霍尔传感器和一定精度的增量式光电编码器来实现，控制装置结构庞大，效率低。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有直流无刷电机中，飞轮的位置和速度的检测方法效率不够高：为解决所述问题，本发明提供一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置及方法。

本发明提供的基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置包括：第一线性霍尔传感器、第二线性霍尔传感器、第三线性霍尔传感器以及直流无刷电机；三个线性霍尔传感器空间120 对称安装于直流无刷电机的定子上，所述飞轮为直流无刷电机的转子；直流无刷电机有A、B、C三相反电动势，三个线性霍尔传感器分别与三项反电动势成30电角度。

进一步，还包括：将线性霍尔传感器输出转化为数字信号，并两两作差的AD采样机；将飞轮角速度测量信息与飞轮角速度指令信息作差运算的第一减法器；将差运算结果转化为转矩电流命令的速度控制器；将所述转矩电流命令与AD采样机的输出值作乘运算的乘法器；将所述乘运算得到的相电流控制命令与三相逆变器的输出值作差运算的第二减法器；根据所述第二减法器的输出形成定子电压控制命令的电流控制器；所述电流控制器形成定子电压控制命令，并通过PWM输出机输出到三相逆变器。

本发明提供的基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制方法, 其特征在于：包括：

步骤一、检测三个线性霍尔传感器的输出；

步骤二、根据三个线性霍尔传感器的输出得到飞轮角速度测量信息；

步骤三、将飞轮角速度测量信息与飞轮角速度指令信息作差运算，将差运算的结果输入到速度控制器。

进一步，第一线性霍尔传感器的输出、第二线性霍尔传感、第三线性霍尔传感的输出为：

式中，为气隙磁场基波霍尔电势幅值；为线性霍尔传感器的霍尔电势系数，单位为；为霍尔传感器的励磁电流，单位为；为被敏感气隙磁场的磁感应强度峰值，单位为；为飞轮时刻所在位置的电气角，为飞轮角速度，单位为。

进一步，飞轮角速度测量信息为，式中，为第时刻的飞轮速度，单位；为第时刻的飞轮位置，单位为；为速度采样周期，单位为；表示速度采样时刻；，，。

进一步，还包括：

步骤四、所述速度控制器形成转矩电流命令，并与下一采样时刻的、、分别相乘，分别得到A相、B相、C相电流控制命令，，；

步骤五、所述相电流控制命令与三相逆变器输出的飞轮实际相电流值作差运算，并输出到电流控制器；

步骤六、所述电流控制器根据所述差运算结果作闭环调节得到定子电压控制命令、、，控制电机实际相电流与反电动势同相。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）和传统飞轮设计上所使用的光电编码器相比，采用三相线性霍尔传感器完成飞轮位置和速度测量的方法结构简单、节约成本。

2）采用的基于线性霍尔的直流无刷电机磁场定向控制算法不需要在静止三轴坐标系和同步旋转两轴坐标系之间进行繁琐CLARK-PARK变换和PARK-CALRK逆变换运算情况下就可直接在静止三轴坐标系中产生各相电流控制命令，实现电机的高效率驱动，减少了对存储和计算资源的要求。

附图说明

图1是本发明所应用验证电机的三相绕组排列与线性霍尔安装示意图；

图2是本发明所应用验证电机的三路线性霍尔传感器信号波形示意图；

图3是本发明一种基于线性霍尔的飞轮转速控制方法示意图；

图4是本发明所应用验证的飞轮产品在给定转速为50r/min时实际转速数据；

图5是本发明所应用验证的飞轮产品在给定转速为200r/min时实际转速数据；

图6是本发明所应用验证的飞轮产品在给定转速为600r/min时升速过程飞轮转速数据。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供的基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置包括：第一线性霍尔传感器1、第二线性霍尔传感器2、第三线性霍尔传感器3以及直流无刷电机13（见图3）；三个线性霍尔传感器空间120对称安装于直流无刷电机的定子上，所述飞轮为直流无刷电机的转子；直流无刷电机有A、B、C三相输出，三个线性霍尔传感器分别与三项输出反电动势成30电角度。在图1所示的实施例中采用7对极的直流无刷电机，在其他实施例中可以根据应用需要选取直流无刷电机。图1中A+为A相输出对应线圈的正端 、A-为A相输出对应线圈的负端；B+为B相输出对应线圈的正端 、B-为B相输出对应线圈的负端；C+为C相输出对应线圈的正端 、C-为C相输出对应线圈的负端。

本发明的技术解决方案：利用霍尔传感器能够敏感磁场强度变化的特点，通过对线形霍尔传感器输出信号进行检测，实现直流无刷电机启动、电流换向、飞轮位置和信息反馈。利用线性霍尔传感器处于正弦波气隙磁场中时，其输出电压信号与气隙磁场分布的波形相同，而且与反电动势波形的频率相同，相位差为定值的特点，控制电机实际相电流与反电动势同相，实现转矩最大化，实现最大效率的输出。

参考图3，本发明提供的基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置还包括：将线性霍尔传感器输出转化为数字信号，并两两作差的AD采样机12；将飞轮角速度测量信息与飞轮角速度指令信息作差运算的第一减法器15；将差运算结果转化为转矩电流命令的速度控制器14；将所述转矩电流命令与AD采样机12的输出值作乘运算的乘法器20；将所述乘运算得到的相电流控制命令与三相逆变器19的输出值作差运算的第二减法器16；根据所述第二减法器16的输出形成定子电压控制命令的电流控制器17；所述定子电压控制命令，通过PWM输出机18输出到三相逆变器19；电机速度计算单元13通过AD采样机12计算得到的飞轮位置电气角计算得到飞轮角速度测量信息，并输出到第一减法器15。

图2是本发明所应用验证电机的三路线性霍尔传感器信号波形示意图，如图2所示，直流无刷电机气隙磁场波形是正弦波，当线性霍尔传感器处于正弦波气隙磁场中时，第一线性霍尔传感器1、第二线性霍尔传感器2、第三线性霍尔传感器3依次输出电压信号 、、，电压信号、、与气隙磁场分布的波形相同且幅值固定。将、、定义为：

（1）

式中，为气隙磁场基波霍尔电势幅值；为霍尔传感器的霍尔电势系数，单位为；为霍尔传感器的励磁电流，单位为；为被敏感气隙磁场的磁感应强度峰值，单位为；为飞轮所在位置的电气角，为飞轮角速度，单位为。飞轮位置的任何变化都会使线形霍尔传感器输出信号改变，因此可以从线形霍尔传感器输出信号中获得飞轮位置、转速等信息。具体实现方法推导如下：

由(1)式有

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

得到飞轮位置信息以后，计算飞轮角度增量对速度采样时间的微分，由式(6)即可得到飞轮速度：

，

式中，为第时刻的飞轮速度，单位；为第时刻的飞轮位置，单位为；为速度采样周期，单位为；表示速度采样时刻。

在上述飞轮位置、速度检测方法中，由于使用线性霍尔传感器代替了光电编码器和开关霍尔传感器可以降低电机成本和安装工序以及引线数，另外只要AD精度满足使用要求就可以保证飞轮位置、速度反馈信息的高精度。

当线性霍尔传感器处于正弦波气隙磁场中时，其输出电压信号不但与气隙磁场分布的波形相同，而且与反电动势波形的频率相同，相位差为定值。利用这个特点，由(3)式有：

（8）

由(8)式可知当线形霍尔与反电动势安装位置相差30电角度时，可将、、当作定子相电流控制命令的参考信号，从而实现基于线形霍尔的飞轮转速控制方法。

如图3所示，速度控制器14输出转矩电流命令分别与AD采样机输出的、、相乘产生各自相电流控制命令，，， 然后采样电机实际相电流值、、通过电流控制器闭环调节以后得到定子电压控制命令、、，控制电机实际相电流与反电动势同相，实现转矩最大化，实现最大效率的输出。

如图4、图5所示，分别给出了设定转速为50r/min和 200r/min时飞轮实际转速数据，图6给出了设定转速为600r/min时飞轮升速过程转速变化数据。从图4、图5可以看出在上位机给定速度命令后，转速控制精度在2r/min以内，角动量控制常值偏差满足星上使用要求，由图6可以看出飞轮转速控制系统稳定时间、超调量、稳态误差、上升时间等指标性能上都达到了较好控制效果。

以上实施例仅用于举例说明本发明的内容，凡采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置的控制方法,所述装置包括：第一线性霍尔传感器、第二线性霍尔传感器、第三线性霍尔传感器以及直流无刷电机；三个线性霍尔传感器空间120°对称安装于直流无刷电机的定子上，所述飞轮为直流无刷电机的转子；直流无刷电机有A、B、C三相反电动势，三个线性霍尔传感器分别与三相反电动势成30°电角度；所述装置还包括：将线性霍尔传感器输出转化为数字信号，并两两作差的AD采样机；将飞轮角速度测量信息与飞轮角速度指令信息作差运算的第一减法器；将差运算结果转化为转矩电流命令的速度控制器；将所述转矩电流命令与AD采样机的输出值作乘运算的乘法器；将所述乘运算得到的相电流控制命令与三相逆变器输出的相电流采样值作差运算的第二减法器；根据所述第二减法器的输出形成定子电压控制命令的电流控制器；所述定子电压控制命令通过PWM输出机输出到三相逆变器；电机速度计算单元通过AD采样机计算得到的飞轮位置电气角计算得到飞轮角速度测量信息，并输出到第一减法器；其特征在于：包括：

步骤一、检测三个线性霍尔传感器的输出；

步骤二、根据三个线性霍尔传感器的输出得到飞轮角速度测量信息；

步骤三、将飞轮角速度测量信息与飞轮角速度指令信息作差运算，将差运算的结果输入到速度控制器；

其中，第一线性霍尔传感器的输出、第二线性霍尔传感、第三线性霍尔传感的输出为：

式中，为气隙磁场基波霍尔电势幅值；为线性霍尔传感器的霍尔电势系数，单位为；为霍尔传感器的励磁电流，单位为；为被敏感气隙磁场的磁感应强度峰值，单位为；为飞轮时刻所在位置的电气角，为飞轮角速度，单位为；

所述飞轮角速度测量信息为，式中，为第时刻的飞轮速度，单位；为第时刻的飞轮位置，单位为；为速度采样周期，单位为；表示速度采样时刻；，，。

2.依据权利要求1所述的一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制装置的控制方法，其特征在于，还包括：

步骤四、所述速度控制器形成转矩电流命令，并与下一采样时刻的、、分别相乘，分别得到A相、B相、C相电流控制命令，，；

步骤五、所述相电流控制命令与三相逆变器输出的飞轮实际相电流值作差运算，并输出到电流控制器；

步骤六、所述电流控制器根据所述差运算结果作闭环调节得到定子电压控制命令、、，控制电机实际相电流与反电动势同相。