CN106685302B - 一种霍尔式位置传感器解码算法及eps控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种霍尔式位置传感器解码算法及EPS控制器。所述解码算法包括以下步骤：S1.采集霍尔式位置传感器的霍尔信号的当前状态，并根据当前状态确定转子的初始位置；S2.从初始位置向霍尔信号状态第一次发生变化的这个区间，采用启动电流补偿法进行转子位置角度的插值；S3.在霍尔信号状态第一次发生变化时，校正转子位置角度以得到确定的角度位置；S4.计数编码信号边沿计数值，根据编码信号边沿计数值计算当前的转子位置角度，每过360°进行清零重新计数。本发明能获得良好的启动和低速运转控制特性，高速运行平稳，解码精度高，且抗干扰能力强，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及电动助力转向器技术领域，更具体地，涉及一种霍尔式位置传感器解码算法及EPS控制器。
背景技术
如图1所示，现有的EPS电机大多采用旋转变压器作为电机的位置传感器。相应的EPS控制器都是为驱动带旋转变压器的EPS电机进行设计的，通过采集方向盘的扭矩和转角信号，整车的车速发动机转速信号，计算出需要提供给助力电机多大的驱动电流，从而控制电机输出合适的助力大小。EPS控制器输出激励信号R1、R2给旋转变压器，旋转变压器的原边接收到激励信号，会在副边S3-S1、S2-S4输出如图2所示的信号波形，EPS控制器采集旋转变压器输出的S3-S1、S2-S4信号，算出当前的转子位置角度供给电机矢量控制使用。
现有技术具有以下缺点：
1.旋转变压器机械结构复杂，一般厂家不具备生产能力，技术被几个国际大厂垄断，导致采购价格过高，进而使电机成本居高不下；
2.旋转变压器所配套的外围电路复杂，无论是激励信号输出电路还是输出信号处理电路，都增加了控制器的成本；
3.旋转变压器信号是模拟信号，比较敏感，易受干扰。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种解码精度高，抗干扰性强的霍尔式位置传感器解码算法。
一种霍尔式位置传感器解码算法，所述霍尔式位置传感器的输出信号包括霍尔信号和编码信号，包括以下步骤：
S1.采集霍尔式位置传感器的霍尔信号的当前状态，并根据当前状态确定转子的初始位置；
S2.从初始位置向霍尔信号状态第一次发生变化这个区间，采用启动电流补偿法进行转子位置角度的插值；
S3.在霍尔信号状态第一次发生变化时，校正转子位置角度以得到确定的角度位置；
S4.对编码信号进行边沿计数，编码信号边沿计数值取采集到的两个编码信号上升下降沿数量之和；根据编码信号计数值计算当前的转子位置角度，每过360°进行清零重新计数。
通过以上步骤，对霍尔式位置传感器进行解码，得到准确的转子位置角度。
进一步地，还包括步骤S5.在每个编码信号的边沿区间采用二阶PI插值，平滑区间转子角度变化。
进一步地，为了使电机能平滑启动，所述步骤S1中，以当前状态的中心位置为初始位置。
进一步地，为了改善电机启动阶段的控制性能，所述步骤S2中，采用q轴电流补偿的方式对电机启动阶段的加速度进行估算，然后以初始位置速度为零计算出每个离散的时间采样点转子的位置，直到霍尔信号状态发生第一次变化，得到确切的位置为止。
进一步地，所述每个离散的时间采样点转子的位置根据以下公式进行计算：
s＝1/2*K*Iq*n^2；
其中，K为与磁链转动惯量和极对数有关的常数，Iq为q轴电枢电流，n为离散化的时间采样点计数值。
进一步地，所述霍尔式位置传感器的霍尔信号包括三路输出，编码信号包括两路输出；为了避免错误信号的干扰，在所述步骤S3中，三路霍尔信号均为1或均为0时，进行信号无效报错。
进一步地，所述步骤S4中，根据公式计算编码信号边沿对应的电角度：编码信号边沿对应的电角度＝(边沿计数值-1)*编码信号分辨间隔+第一次霍尔信号状态变化确定的位置。
进一步地，所述步骤S4中，对编码信号边沿对应的电角度进行计算时，根据电机转动方向在0°或360°处进行角度补偿以进一步提高解码精度；如果正向转动则加上编码信号与霍尔信号的最小偏差角度；如果反向转动则减去编码信号与霍尔信号的最小偏差角度。
进一步地，所述步骤S5中，根据传递函数
对每个编码信号的边沿区间采用二阶PI插值以解决低速下编码信号边沿角度跳变的问题，改善其控制的平滑性。
本发明的另一目的在于应用了上述霍尔式电机位置传感器解码算法的EPS控制器，EPS控制器与带有霍尔式位置传感器的EPS电机相连，控制电机的运转；霍尔式位置传感器将转子位置信号传送给EPS控制器进行角度解码。EPS控制器通过对霍尔式位置传感器的输入信号进行解码，得到准确的转子位置角度，从而驱动带有霍尔式位置传感器的EPS电机。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的霍尔式位置传感器解码算法，通过采用q轴电流补偿算法和二阶PI插值法，能获得良好的启动和低速运转控制特性，得到精准的转子位置角度；且其解码的转子位置角度信号为数字信号，抗干扰能力强。应用了本发明霍尔式位置传感器解码算法的EPS控制器能直接驱动带霍尔式位置传感器的电机，相对于现有技术，被驱动的电机能高速平稳运行的同时，使得成本大大降低。
附图说明
图1为现有技术旋转变压器结构图。
图2为现有技术旋转变压器输出信号波形图。
图3为实施例1霍尔式位置传感器信号输出波形。
图4为实施例1一个电气角度周期各信号详细关系。
图5为实施例1霍尔式位置传感器解码算法流程图。
图6为实施例1电机启动阶段原理示意图。
图7为实施例1二阶PI插值算法示意图。
图8为实施例1二阶PI插值图形示意图。
图9为实施例2对解码的位置，三相电流波形进行的跟踪记录波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
霍尔式位置传感器与电机转子同轴连接，用于测量电机转子位置角度。如图3至图4所示，本实施例中霍尔式位置传感器输出信号由五路输出信号组成，分别为霍尔信号Hall_A、Hall_B、Hall_C，编码信号Encoder_A、Encoder_B。这五路信号共同作用计算出电机转子位置角度。其中霍尔信号Hall_A、Hall_B、Hall_C由霍尔开关管产生，在机械角度上呈60度排布。编码信号Encoder_A、Encoder_B由专用芯片产生，为一组正交的方波。
如图5所示，本实施例提供一种霍尔式位置传感器解码算法，包括以下步骤：
S1.采样和计数模块初始化；获取霍尔信号HALL_A、HALL_B、HALL_C的当前状态；根据当前状态确定转子的初始位置，也就是角度初始值；本实施例中，为了使结果更加准确，以当前状态的中心位置为转子角度初始值。
| sector | HALL_A | HALL_B | HALL_C | 角度范围 | 角度初始值 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0～60° | 30° |
| 2 | 0 | 1 | 1 | 60～120° | 90° |
| 3 | 0 | 1 | 0 | 120～180° | 150° |
| 4 | 1 | 1 | 0 | 180～240° | 210° |
| 5 | 1 | 0 | 0 | 240～300° | 270° |
| 6 | 1 | 0 | 1 | 300～360° | 330° |
表1HALL_A/B/C状态真值表
判断霍尔信号HALL_A、HALL_B、HALL_C的状态是否为非正常信号111或000状态。当结论为是时，进行信号无效报错；否则，进一步判断霍尔信号是否为第一次确定初始位置。
本实施例中，如表1所示，霍尔信号HALL_A、HALL_B、HALL_C正常状态如表1所示，共6个状态，每个状态范围为60度。当确定霍尔信号是第一次确定初始位置时，则根据表1霍尔信号状态真值表确定角度初始值。例如当采集到HALL_A、HALL_B、HALL_C的当前状态为001时，当前角度范围为0～60°，则取其中心位置30°为初始位置。
S2.判断HALL_A/B/C状态是否发生变化。若结论为是，则进行下一步骤；否则，转子处于从初始位置向HALL_A/B/C状态第一次发生变化这个区间，采用启动电流补偿法进行转子位置角度的插值。例如系统每隔100us采集一次HALL_A、HALL_B、HALL_C的状态，如果第一次采集到的HALL_A、HALL_B、HALL_C的状态为001，后面采集到的HALL_A、HALL_B、HALL_C的状态仍为001，状态没有发生变化，那么说明转子处于初始位置到HALL_A/B/C状态第一次变化这个区间，为30°～60°之间，则采用启动电流补偿法进行转子位置角度的插值。
为了改善电机启动阶段的控制性能，采用q轴电流补偿的方式对电机启动阶段的加速度进行估算，然后以初始位置速度为零计算出每个离散的时间采样点转子的位置，直到Hall_A/B/C信号发生第一次变化，得到确切的位置为止。
以下为q轴电流补偿法推导计算过程。
永磁同步电动机转矩方程：
Te＝Pnψfiq+Pn(Ld-Lq)idiq (1)
式中:Te为电磁转矩；Pn为极对数；ψf为转子磁链；id、iq分别为轴电枢电流；Ld、Lq分别为轴电枢电感。
由于是隐极式电动机，式1可简化为
Te＝Pnψfiq (2)
永磁同步电动机机械运动方程：
式中，TL为负载转矩；J为转动惯量。
忽略启动时负载转矩的作用，则
由式(2)和式(4)可得加速度的表达式(5)
式中，K为与磁链转动惯量和极对数有关的常数。由式(5)可知加速度只与电流有关。
如图6所示，为电机启动阶段原理示意图。从初始位置到Hall_A/B/C信号发生第一次变化的区间中，各离散点的位置用1/2*a*t^2进行计算，结合式5离散化后得到，离散点位置计算公式为：1/2*a*t^2＝1/2*K*Iq*n^2。其中Iq即iq，为q轴电枢电流；n为离散化的时间采样点计数值。
S3.在HALL_A/B/C状态第一次发生变化时，根据HALL_A/B/C状态确定边界值，校正转子位置角度，得到确定的角度位置。例如当HALL_A、HALL_B、HALL_C的状态由001跳变到011时，当前的转子位置角度为60°。
S4.当HALL_A/B/C状态不是第一次发生变化，则根据变化的Encoder_A/B信号，对Encoder_A/B信号开始计数；根据Encoder_A/B的边沿计数值计算当前的转子位置角度，每过360°进行清零重新计数。本实施例中，Encoder_A/B信号边沿计数值取Encoder_A/B信号上升下降沿数量之和。
S41.转子位置角度的计算公式为：Encoder_A/B边沿对应的电角度＝(边沿计数值-1)*Encoder_A/B信号分辨间隔+第一次Hall_A/B/C状态变化确定的位置。
S42.为了减少误差，对步骤S41所得到的转子位置角度，根据电机转动方向在0°或360°处进行补偿：如果正向转动则加上编码信号与霍尔信号的最小偏差角度；如果反向转动则减去编码信号与霍尔信号的最小偏差角度。
如图4所示，本实施例中，编码信号与霍尔信号的最小偏差角度为3.75°。
S5.在每个Encoder_A/B信号的边沿区间采用二阶PI插值，平滑区间转子角度变化。
为了解决低速下编码信号Encoder_A/B边沿角度跳变的问题，改善其控制的平滑性，采用二阶PI插值法进行角度平滑。其算法示意图如图7所示。
传递函数为
对应的特征根方程为S2+K1K2S+K1，K1和K2为两个可调的PI参数。
从图8插值图形示意图可以看出，在Θ1、Θ2、Θ3之间通过二阶PI算法插入多个值，让角度值实现平滑过渡。
最后，将上述步骤得到的转子位置角度换算至相应的角度区间。本实施例中，将其换算至-180°至180°的区间内。角度每100us循环更新计算一次
实施例2
本实施例提供一种应用了霍尔式位置传感器解码算法的EPS控制器。EPS控制器与带有霍尔式位置传感器的电机相连，控制电机的运转；霍尔式位置传感器将转子位置信号传送给EPS控制器进行角度解码。EPS控制器通过对霍尔式位置传感器的输入信号进行解码，得到准确的转子位置角度，从而驱动带有霍尔式位置传感器的EPS电机。
如图9所示，为对本实施例的EPS控制器解码的电机转子位置角度，三相电流波形进行的跟踪记录。从图9中间的偏差图可以看出角度偏差能有效控制在0.1到0.3之间；图9底部为三相电流波形，三相电流几乎为平滑的正弦波。可以看出解码的角度实现平滑线性变化，没有较大波动。本实施例的EPS控制器能够精准解码电机转子角度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。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，均应包含在本发明权利要求的保护之内。
Claims (7)
1.一种霍尔式位置传感器解码算法，所述霍尔式位置传感器的输出信号包括霍尔信号和编码信号，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采集霍尔式位置传感器的霍尔信号的当前状态，并根据当前状态确定转子的初始位置；
S2.从初始位置向霍尔信号状态第一次发生变化的这个区间，采用启动电流补偿法进行转子位置角度的插值；
采用q轴电流补偿的方式对电机启动阶段的加速度进行估算，然后以初始位置速度为零计算出每个离散的时间采样点转子的位置，直到霍尔信号状态发生第一次变化得到确切的位置为止；
所述每个离散的时间采样点转子的位置根据以下公式进行计算：
s＝1/2*K*Iq*n^2；
其中，K为与磁链转动惯量和极对数有关的常数，Iq为q轴电枢电流，n为离散的时间采样点计数值；
S3.在霍尔信号状态第一次发生变化时，校正转子位置角度以得到确定的角度位置；
S4.对编码信号进行边沿计数，编码信号边沿计数值取采集到的两路编码信号上升下降沿数量之和；根据编码信号边沿计数值计算当前的转子位置角度，每过360°进行清零重新计数；
S5.在每个编码信号的边沿区间采用二阶PI插值，平滑区间转子角度变化。
2.根据权利要求1所述的霍尔式位置传感器解码算法，其特征在于，所述步骤S1中，以当前状态的中心位置为初始位置。
3.根据权利要求1所述的霍尔式位置传感器解码算法，其特征在于，所述霍尔式位置传感器的霍尔信号包括三路输出，编码信号包括两路输出；在所述步骤S3中，三路霍尔信号均为1或均为0时，进行信号无效报错。
4.根据权利要求1所述的霍尔式位置传感器解码算法，其特征在于，所述步骤S4中，根据公式计算编码信号边沿对应的电角度：编码信号边沿对应的电角度＝(编码信号边沿计数值-1)*编码信号分辨间隔+第一次霍尔信号状态变化时确定的位置。
5.根据权利要求4所述的霍尔式位置传感器解码算法，其特征在于，所述步骤S4中，对编码信号边沿对应的电角度进行计算时，根据电机转动方向在0°或360°处进行角度补偿；如果正向转动则加上编码信号与霍尔信号的最小偏差角度；如果反向转动则减去编码信号与霍尔信号的最小偏差角度。
6.根据权利要求1所述的霍尔式位置传感器解码算法，其特征在于，所述步骤S5中，根据传递函数
对应的特征根方程为S2+K1K2S+K1，K1和K2为两个可调的PI参数；
对每个编码信号的边沿区间采用二阶PI插值。
7.一种应用了权利要求1至6任意一项所述霍尔式位置传感器解码算法的EPS控制器，其特征在于，EPS控制器与带有霍尔式位置传感器的电机相连，控制电机的运转；霍尔式位置传感器将转子位置信号传送给EPS控制器进行角度解码。
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