CN105897106B - 一种使用霍尔位置传感器的増程系统用永磁同步电机起动方法 - Google Patents

Abstract

一种使用霍尔传感器的増程系统用永磁同步电机起动方法，属于电机控制领域。三路开关霍尔传感器经滤波输出的三路数字信号可确定六个精确的转子位置信号，并将360°电角度空间平均分为六个霍尔区间，通过求取三角函数极值的方法求取平均电磁转矩最大值，在每个霍尔区间内获得一个相应的最优角度将对应的最优角度作为空间矢量调制的角度信号输入，空间矢量调制的输出PWM信号控制三相逆变桥生成定子电流矢量I_S，使其在永磁同步电机定子绕组中产生电磁转矩，拖动永磁同步电机起动，继而拖动内燃机起动，实现了増程系统永磁同步电机起动功能，确保最大电磁转矩输出，不需要对转子位置进行实时估算，算法简单有效，节约了空间和成本。

Description

一种使用霍尔位置传感器的増程系统用永磁同步电机起动 方法

技术领域

本发明涉及一种使用霍尔位置传感器的増程系统用永磁同步电机起动方法，尤其在増程系统中起动内燃机时使用，属于电机控制领域。

背景技术

增程式电动汽车能够适应长、短行驶距离的需求，所需蓄电池容量小，且不需要深度放电，相比其他新能源汽车，具有一定的优势。增程式电动车也正因为车辆加装了增程系统的缘故而得名，其增程系统的目的为了进一步提升纯电动汽车的续航里程，减少蓄电池深度放电次数，提高蓄电池寿命。

増程系统起动过程中要求起动电机将内燃机快速拖动到点火转速。永磁同步电机由于功率密度高，起动转矩大等优点而被应用到増程系统中。当前，永磁同步电机起动时有多种解决方案，但都存在一定的问题，如：CN102361430A所述永磁同步电机起动方法通过向电机三相定子绕组注入高频电压信号，实现无位置传感器起动，但是本方法仅限于内置式永磁同步电机这种电机交直轴等效电感不相等的情况，且零速或低速时，由于电信号很小，更是无法准确估算转子的转动位置，实用性较差；CN101764553A所述永磁同步电机起动方法通过开关霍尔位置传感器计算转子角速度，并结合控制器采样周期和采样次数估算出电机转子位置实现电机起动，但是由于增程系统内燃机转速波动剧烈，其角速度很难准确估算，进而导致转子位置精度不高，起动时易造成系统不稳定。

发明内容

本发明的目的是提出一种使用霍尔位置传感器的増程系统用永磁同步电机起动方法，三路霍尔位置传感器经滤波输出的数字信号经辨识成为六个精确转子位置信号，并将360°电角度空间平均分为六个霍尔区间，电机控制器在每个霍尔区间内确定一个最优角度最优角度的确定方法如下：分别求得六个霍尔区间内产生的平均电磁转矩T_e.avg；利用数学上对三角函数求极值的方法求取每个霍尔区间内平均电磁转矩的最大值；根据平均电磁转矩最大值在每个霍尔区间内确定一个最优角度并在该霍尔区间内进行空间矢量调制时始终保持该最优角度随电机转动，电机控制器通过霍尔位置传感器检测出永磁同步电机转子所在的霍尔区间，电机控制器按照对应霍尔区间的最优角度控制三相逆变桥输出定子电流矢量I_S，使其在电机三相绕组中产生电磁转矩，起动永磁同步电机，实现了增程系统永磁同步电机起动功能，取代了传统用法所需的起动机，确保有效起动内燃机；

为了实现上述目的，本发明采用如图1所示的增程系统，包括：电机控制器、霍尔位置传感器、相电流传感器、三相逆变桥、永磁同步电机、内燃机。内燃机和永磁同步电机同轴机械连接；相电流传感器放置在电机两相或三相绕组上，用来测量定子绕组三相相电流；永磁同步电机的三相交流侧和三相逆变桥的三相交流侧电气连接；

当增程系统满足起动条件时，永磁同步电机作为起动机，用于起动内燃机，三相逆变桥工作在逆变状态；

本发明提出的使用霍尔位置传感器的増程系统用永磁同步电机起动方法为：

以永磁同步电机中的一相定子绕组轴线为基准，霍尔位置传感器A对准基准定子绕组，霍尔位置传感器A、霍尔位置传感器B、霍尔位置传感器C呈120°电角度安装在电机内部的端盖处或定子内侧；

电机控制器将三路霍尔位置传感器输出的数字信号辨识为六个精确转子位置信号，并将360°电角度空间平均分成六个霍尔区间；

求取每个霍尔区间的平均电磁转矩T_e.avg，平均电磁转矩包含同步转矩平均值T_es.avg和磁阻转矩平均值T_er.avg，即：T_e.avg＝T_es.avg+T_er.avg；

其中，同步转矩平均值T_es.avg计算方法为：

磁阻转矩平均值T_er.avg计算方法为：

式中，I_S为定子电流矢量；p为电机永磁体极对数；L_d、L_q分别为定子d、q轴等效电感；Ψ_f为永磁体磁链；θ为转子实际位置；为每个霍尔区间空间矢量调制给定角度；

针对表面贴式或凸极率小于1.5的内置式永磁同步电机，磁阻转矩为零或小于同步转矩的二十五分之一，其平均电磁转矩简化为：

利用数学上对三角函数求极值的方法求取每个霍尔区间的平均电磁转矩T_e.avg的最大值和最优角度分别为：

[0°,60°)霍尔区间内

[60°,120°)霍尔区间内

[120°,180°)霍尔区间内

[180°,240°)霍尔区间内

[240°,300°)霍尔区间内

[300°,360°)霍尔区间内

在每个霍尔区间内进行空间矢量调制时始终保持最优角度不变。

电机控制器按照最优角度控制三相逆变桥输出定子电流矢量I_S，并由定子电流矢量I_S产生电磁转矩，起动永磁同步电机；

随电机转动，当电机控制器辨识到电机转子所在霍尔区间切换瞬间，电机控制器根据新进入的霍尔区间的最优角度进行空间矢量调制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、对于内燃机这种电机端等效负载频繁变化且转速波动剧烈的系统，本发明可快速准确的确定空间矢量调制最优角度，以保证最大电磁转矩输出，加快永磁同步电机起动，进而缩短増程系统起动时间；根据辨识出的电机转子所在霍尔区间将对应的最优角度作为空间矢量调制的角度信号输入，空间矢量调制的输出PWM信号控制三相逆变桥生成定子电流矢量I_S，使其在永磁同步电机定子绕组中产生电磁转矩，拖动永磁同步电机起动，继而拖动内燃机起动，实现了増程系统永磁同步电机起动功能，确保最大电磁转矩输出，不需要对转子位置进行实时估算，控制算法简单有效，节约了空间和成本。

2、本方法采用的基于霍尔位置传感器的永磁同步电机起动方法，结构紧凑，不需要对转子位置进行实时估算，控制算法简单有效，节约了空间和成本。

附图说明

图1为增程系统起动结构图

图2为三个霍尔位置传感器呈120°电角度安装形式

图3为增程系统闭环控制框图

具体实施方式

下面结合图1至图3，对本发明进一步详细说明。

一种使用霍尔位置传感器的増程系统用永磁同步电机起动方法，图1是增程系统起动结构图，增程系统8包括：电机控制器1、霍尔位置传感器2、相电流传感器3、三相逆变桥4、永磁同步电机5、内燃机6。其中：

电机控制器1负责采样各种传感器信号，如从霍尔位置传感器2采样得到的三路数字信号，从相电流传感器3采样得到的三相相电流信号，电机控制器1输出PWM信号控制三相逆变桥4，其硬件载体可以是DSP、FPGA、ARM、PLC中的一种或者几种组合；

内燃机6和永磁同步电机5同轴机械连接，内燃机6可以是汽油发动机也可以是柴油发动机，可以是单缸也可以是多缸；

永磁同步电机5在增程系统8起动时作为起动电机起动内燃机6；

相电流传感器3由两个或三个电流传感器组成，安装在定子两相或三相绕组上，或三相逆变桥4下桥臂与地相连处；

三相逆变桥4由六个电力电子器件及其驱动电路组成，三相逆变桥4的三相交流侧与永磁同步电机5的三相交流侧电气连接，其硬件载体可以是GTO、GTR、MOSFET、IGBT中的一种或者几种组合；

图2中，霍尔位置传感器2由三个霍尔位置传感器组成，安装时将三个霍尔位置传感器其中一个对准定子一相绕组，三个霍尔位置传感器两两相隔120°电角度安装在电机内部的端盖处或定子内侧；

图3是增程系统起动过程闭环控制框图，相电流采样17经相电流传感器3得到的三相相电流经过矢量变换10生成反馈值i_d、i_q，分别与i_dref、i_qref的差值输入d轴电流和q轴电流闭环控制器19，最优角度判断模块16根据电机转子所在的霍尔区间将对应最优角度输入空间矢量调制模块，再由空间矢量调制模块18输出PWM信号控制三相逆变桥4产生定子电流矢量I_S。

使用霍尔位置传感器的永磁同步电机具体起动过程如下：

霍尔位置传感器2如图2所示安装，输出的三路数字信号经滤波处理送入电机控制器1；

霍尔信号采样模块14通过数字信号辨识出六个精确转子位置信号，同时进行电机转速计算及霍尔状态异常检测；

霍尔区间判断模块15根据六个转子位置信号将360°电角度空间平均分成六个霍尔区间，并辨识出电机转子所在霍尔区间；

电机控制器1在每个霍尔区间内确定一个最优角度其具体确定方法为：

步骤a、根据矢量变换10及转子所在霍尔区间可得定子电流矢量I_S在d-q轴同步旋转坐标系上的d轴电流分量和q轴电流分量分别为

式中，i_d、i_q分别d轴电流和q轴电流，单位A；I_S为定子电流矢量，单位A；θ为转子实际位置，单位rad；为每个霍尔区间空间矢量调制给定角度，单位rad。

步骤b、平均电磁转矩计算模块11分别求取每个霍尔区间的平均电磁转矩T_e.avg，平均电磁转矩包含同步转矩平均值T_es.avg和磁阻转矩平均值T_er.avg，即：T_e.avg＝T_es.avg+T_er.avg；

其中，同步转矩平均值T_es.avg计算方法为：

磁阻转矩平均值T_er.avg计算方法为：

式中，p为电机永磁体极对数；Ψ_f为永磁体磁链，单位Wb；L_d、L_q分别为定子d、q轴等效电感，单位mH；T_e.avg为平均电磁转矩，单位N.m；T_es.avg和T_er.avg分别为同步转矩平均值和磁阻转矩平均值，单位N.m。

针对表面贴式或凸极率小于1.5的内置式永磁同步电机，磁阻转矩为零或小于同步转矩的二十五分之一，其平均电磁转矩简化为：

步骤c、应用电磁转矩最大值模块12和最优角度模块13求取出每个霍尔区间的平均电磁转矩T_e.avg的最大值和最优角度分别为：

[0°,60°)霍尔区间内

[60°,120°)霍尔区间内

[120°,180°)霍尔区间内

[180°,240°)霍尔区间内

[240°,300°)霍尔区间内

[300°,360°)霍尔区间内

在每个霍尔区间内进行空间矢量调制时始终保持最优角度不变；

最优角度判断模块16根据转子所在霍尔区间输出对应区间的最优角度

空间矢量调制模块18按照最优角度输出对应的PWM信号，控制三相逆变桥4在电机定子绕组中生成定子电流矢量I_S，并在该霍尔区间内保持定子电流矢量I_S大小和方向不变；

定子电流矢量I_S产生的电磁转矩拖动永磁同步电机5起动；

随电机转动，当霍尔区间判断模块15辨识到电机转子所在霍尔区间切换瞬间，最优角度判断模块16根据新进入的霍尔区间输出对应区间的最优角度

结果显示，拖动10N.m等效负载，采用本发明所述霍尔位置传感器的起动方法由零速到500r/min时间约为1.54s；采用精确位置传感器起动方法由零速到500r/min时间约为1.51s。起动时间几乎相等，证明了本发明的有效性，且成本更低。

Claims (3)

1.一种使用霍尔位置传感器的増程系统用永磁同步电机起动方法，其特征在于：増程系统(8)包括电机控制器(1)、霍尔位置传感器(2)、相电流传感器(3)、三相逆变桥(4)、永磁同步电机(5)、内燃机(6)；内燃机(6)和永磁同步电机(5)同轴机械连接；永磁同步电机(5)的三相交流侧和三相逆变桥(4)的三相交流侧电气连接；相电流传感器(3)将检测到的永磁同步电机(5)三相相电流信号送入电机控制器(1)；

霍尔位置传感器(2)检测永磁同步电机(5)的转子位置，并将三路数字信号送入电机控制器(1)；霍尔信号采样模块(14)辨识出六个精确的转子位置信号；霍尔区间判断模块(15)将360°电角度空间平均分为六个霍尔区间，辨识出电机转子所在的霍尔区间；电机控制器(1)在每个霍尔区间内确定一个最优角度空间矢量调制模块(18)根据最优角度控制三相逆变桥输出定子电流矢量Is，并由定子电流矢量产生电磁转矩起动永磁同步电机；

其中，最优角度的确定方法如下：

由平均电磁转矩计算模块(11)求取每个霍尔区间的平均电磁转矩T_e.avg，平均电磁转矩包含同步转矩平均值T_es.avg和磁阻转矩平均值T_er.avg，即：T_e.avg＝T_es.avg+T_er.avg；

其中，同步转矩平均值T_es.avg计算方法为：

磁阻转矩平均值T_er.avg计算方法为：

式中I_S为定子相电流矢量；θ为转子实际位置；为每个霍尔区间空间矢量调制给定角度；p为电机永磁体极对数；Ψ_f为永磁体磁链；L_d、L_q分别为定子d、q轴等效电感；

针对表面贴式或凸极率小于1.5的内置式永磁同步电机，磁阻转矩为零或小于同步转矩的二十五分之一，其平均电磁转矩简化为：

应用电磁转矩最大值模块(12)和最优角度模块(13)求取出每个霍尔区间的平均电磁转矩T_e.avg的最大值和最优角度分别为：

[0°,60°)霍尔区间内

[60°,120°)霍尔区间内

[120°,180°)霍尔区间内

[180°,240°)霍尔区间内

[240°,300°)霍尔区间内

[300°,360°)霍尔区间内

在每个霍尔区间内进行空间矢量调制时始终保持最优角度不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

随电机转动，当霍尔区间判断模块(15)辨识到电机转子所在霍尔区间切换瞬间，最优角度判断模块(16)根据新的霍尔区间输出对应的最优角度

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

霍尔位置传感器(2)由三个霍尔位置传感器单元组成，安装时将三个霍尔位置传感器单元其中一个对准定子一相绕组，三个霍尔位置传感器单元两两相隔120°电角度安装在电机内部的端盖处或定子内侧。