CN106788067A - 基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，采用程序计算量不大的基于机械运动方程的观测器结构拟合出连续的位置信号，并进行了谐波矢量前馈解耦，在全速度范围内具有较好的动态性能保证实时观测精度。考虑到速度提取的噪声问题使用了非光滑反馈锁相环结构来实现转速信号的提取。

Description

基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法

技术领域

本发明涉及一种基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，属于永磁同步电机转子位置估算领域。

背景技术

目前，通过较高分辨率的光电码盘和旋转变压器可获得连续的转子位置信息，但该高分辨率的传感器价格较高。为节约成本，可以利用开关型霍尔传感器进行永磁同步电机转子位置和速度估算，通过较少数量的开关型霍尔传感器仅仅可以获得有限数量的离散位置信号，必须通过估算方法拟合出连续的位置信号，该方法在永磁电机中获得了应用。目前的估算方法大多通过两个霍尔信号的时间间隔算出平均值实现的。

现有各种预测方法都有其自身的优缺点。在电机平稳和中高速运行时这种估算方法会取得较好的效果，但是在负载变化导致的转速变化或者在给定转速突变的情况下，这种方法会出现较大的估算误差。估算信息不能实时反应真实的转子信息，导致动态估算效果差，导致电机运行的不平稳，而且这种方法对霍尔传感器的安装精度有着较高的要求。直接使用基于开关霍尔信号的闭环位置观测器提取的速度信号，信号中会包含较多高频误差。使用双观测器结构较快法的实现较为复杂，且预测精度有待进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，通过采用闭环的位置观测器结构来结合离散的霍尔位置信号来拟合连续的转子位置信号。再将通过闭环位置观测器得出的位置信号通过非光滑反馈锁相环结构得出速度信号。为了保证在转速变化时位置观测精度加入了前馈解耦的方法，并结合非光滑反馈锁相环来提取速度信号，提高了开关型霍尔传感器的位置和速度估算精度，对永磁同步电机采用开关型霍尔传感器控制有着重要的意义。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，具体步骤如下：

步骤1，根据霍尔矢量的概念，将开关型霍尔位置传感器检测到的霍尔位置信号进行分解，分解出基波矢量信号和谐波矢量信号；

步骤2，通过前馈解耦从霍尔位置信号中分离出谐波矢量信号，再将分离谐波后的基波矢量信号输出至观测器；

步骤3，观测器对基波矢量信号进行拟合，得到转子位置信号。

作为本发明的进一步优化方案，观测器将拟合得到的转子位置信号输出至非光滑反馈锁相环，从而得到转子速度信号。

作为本发明的进一步优化方案，非光滑反馈锁相环的非光滑函数为：

其中，x为函数自变量，α为经验常数，δ为平衡点附近的线性区范围，sgn(·)为符号函数。

作为本发明的进一步优化方案，开关型霍尔位置传感器安装在电机定子上。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中观测器结构为基于机械运动方程的观测器结构。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出的一种采用开关型霍尔传感器取代传统的机械式位置传感器对永磁同步电机进行矢量控制的方案，采用程序计算量不大的基于机械运动方程的观测器结构拟合出连续的位置信号，并进行了谐波矢量前馈解耦，在全速度范围内具有较好的动态性能保证实时观测精度。考虑到速度提取的噪声问题使用了非光滑反馈锁相环结构来实现转速信号的提取。

附图说明

图1是开关型霍尔传感器输出示意图。

图2是静止坐标系下的霍尔扇区。

图3是霍尔位置观测器结构框图。

图4是谐波矢量前馈解耦结构。

图5是几种锁相环结构框图，其中，(a)是传统锁相环结构，(b)是改变输出位置的锁相环结构，(c)非光滑反馈锁相环结构。

图6是系统整体框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明综合考虑采用三个霍尔传感器作为位置传感器对永磁同步电机进行矢量控制的方法，利用观测器结构来将离散的霍尔位置信号拟合出连续的转子位置信号。针对可能存在的观测角度信号的延迟现象，采用霍尔矢量的概念将霍尔位置信号进行分解，分解出基波矢量信号和谐波矢量信号。并通过前馈解耦从霍尔矢量中分离出谐波矢量，保留能反应转子位置信息，提高观测器的追踪速度。针对直接从观测器中提取转速信号中包含的高频噪声，采用分线性锁相环的提取方法，在不影响提取速度的同时能够抑制高频噪声提高转速信号的提取精度。

三个开关型霍尔传感器取代传统的机械式位置传感器的永磁同步电机控制框图如图6所示。霍尔位置传感器一般安装在电机转子内侧，开关型霍尔传感器能够随着转子磁极的变化输出反应转子位置信息的方波型号。三个霍尔传感器在电机定子上相隔的机械角度γ＝2π/(p_n×3)或者γ＝π/(p_n×3)，其中，p_n为极对数,输出是三相相移可以是60°或者120°占空比为50％的方波信号。波形图相移120°的输出信号如图1所示。三相信号的高低电平能够形成留个特定的位置信号点(001，000，100，110，111，011)，这六个位置信号对应着一个相应的转子位置角度，如图2所示。

6个霍尔位置信号能够将360°电周期均分成6个60°电角度的扇区。可见在每个扇区中霍尔位置信号同实际的转子位置信号间存在着0°-60°电角度的误差，在每个扇区的结束或开始会得到一个霍尔位置信号，可以对误差进行一次校正。

根据永磁同步电机的机械运动方程构建观测器结构：

(1)已知的永磁同步电机的机械运动方程为：

其中，T_em为电机电磁转矩，T_L为电机负载转矩，J为电机转动惯量，Ω为电机的转速，B为粘滞摩擦系数。

一般上电机的粘滞摩擦系数B可以忽略不计，式(1)可以写为：

(2)令机械角速度Ω为状态变量x₀，通过霍尔信号得到的转子位置角θ为状态变量x₁，负载转矩T_L为状态变量x₂，则式(2)可以写为：

其中，为状态变量的微分，p_n为电机的极对数。

利用PMSM在运行过程中能够采集到参数：电磁转矩T_em，和通过霍尔位置传感器采集的包含误差的转子角度信号，在观测器结构中将误差信号输入到PID调节环节，选取适合的信号提取位置，如图3中的z₁，通过误差来修正观测信号的偏差，最终消除霍尔位置信号和实际转子位置间的误差和一些干扰量，输出值收敛到实际的转子位置信息θ上(具体PID的参数要根据实际电机的情况选取)，观测器结构如图3所示。观测器的输入为电机的电磁转矩，负的负载转矩-T_L经由状态变量x₁(由状态变量x₁为通过前馈解耦的到霍尔位置信号)和角度信号观测量的误差经过PID调节环节后得到。电磁转矩T_em减去负载转矩T_L，(T_em-T_L)的值乘以转动惯量J，后经过两次积分环节后，再乘以电机极对数p_n得到转子位置的观测量和霍尔位置信号做叉乘运算得到误差值。

为了能够让观测器更快追踪转子位置，提高观测速度，提出了霍尔矢量前馈解耦的方法，将通过霍尔传感器获得位置信号作为在静止坐标系中的矢量信号记为然后霍尔矢量信号可以写成：

其中，为霍尔位置信号在坐标系中转化为的空间矢量信号。

霍尔矢量能够被看做一个连续旋转的基波矢量和一系列谐波矢量的结合，其中基波矢量能够代表实际的转子位置。所以我们通过一个前馈解耦的方式将这些谐波成分从霍尔矢量中分离出来，再将分离谐波后的基波矢量成分输出观测器得到一个更加平滑的转子位置信息，如图4所示。

为了解决直接从观测器中提取的速度信号中包含的高频噪声信号，采用非光滑反馈锁相环(NSFP)结构来提取位置信号，与传统的锁相环的区别是改变了转速信号从锁相环中提取的位置，和采用了非光滑函数代替传统的PI调节环节。可以在不影响响应速度的同时改进提取的精度。如图5所示，其中，(a)是传统锁相环结构，(b)是改变输出位置的锁相环结构，(c)非光滑反馈锁相环结构。加速线性状态观测器跟踪性能，根据非光滑反馈控制理论，引入非光滑控制的连续幂次函数fal(x,α,δ)，非光滑函数的表达式为：

其中，δ为平衡点附近的线性区范围，sgn(x)为符号函数，α为通过经验选取的常数。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，根据霍尔矢量的概念，将开关型霍尔位置传感器检测到的霍尔位置信号进行分解，分解出基波矢量信号和谐波矢量信号；

步骤2，通过前馈解耦从霍尔位置信号中分离出谐波矢量信号，再将分离谐波后的基波矢量信号输出至观测器；

步骤3，观测器对基波矢量信号进行拟合，得到转子位置信号。

2.根据权利要求1所述的基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，其特征在于，观测器将拟合得到的转子位置信号输出至非光滑反馈锁相环，从而得到转子速度信号。

3.根据权利要求2所述的基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，其特征在于，非光滑反馈锁相环的非光滑函数为：

$fal(x,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}x/{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}},& \left|x\right|\≤\mathrm{\δ}\\ {\left|x\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sgn}\left(x\right),& \left|x\right|>\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，x为函数自变量，α为经验常数，δ为平衡点附近的线性区范围，sgn(·)为符号函数。

4.根据权利要求1所述的基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，其特征在于，开关型霍尔位置传感器安装在电机定子上。

5.根据权利要求1所述的基于开关型霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估算方法，其特征在于，步骤2中观测器结构为基于机械运动方程的观测器结构。