CN108988723A - 一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，所述估算方法是：在滑模观测器中引入一阶加速度算法，通过一阶加速度算法对转子位置进行初次估算；电机运行于低速时，根据转子运行状态变化权值，实现初次估算结果与滑模观测结果的配合输出，减小估算误差；电机运行于中高速时，通过离散位置信号对滑模观测器估算结果进行考虑转速的加权线性补偿，从而解决位置误差累计以及由于霍尔安装误差带来的转子估算误差的问题。此方法能在宽速度范围内精确地估算电机转子位置，实现永磁同步电机矢量控制系统的高性能控制。

Description

一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法。
背景技术
在高性能永磁同步电机控制系统中，为了精确获取转速闭环和空间矢量脉冲调制所需要的转子速度和位置信息，一般需要在电机转子轴端安装高精度的位置传感器，虽然高精度位置传感器的引入可以保证电机的控制结果，但是也存在系统可靠性降低，控制成本增加等一系列问题。为了解决上述问题，选用的低精度位置传感器完成转速和位置的估算，但是现有算法，有模型算法参数设计复杂和无模型算法转子位置估算噪声含量高，估算结果滞后明显等问题，提出了一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，可以较好的满足系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决永磁同步电机矢量控制中无法利用离散霍尔信号获得较高精度的转子位置问题，而提供的一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，在转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，通过计算转子在前一霍尔扇区的平均速度、加速度构建一阶加速度算法模型，通过该一阶加速度算法估算转子位置θ1和转速ω1；
步骤二：通过霍尔电流传感器采集电机运行相电流，并进行Clarke变换与Park变换，分别得到α-β、d-q坐标系电流；建立滑模观测器模型，通过sng函数求出电机运行的反电动势，对反电动势中转子位置信息进行提取，将提取得到的转子位置进行霍尔前馈线性加权补偿，得到补偿后的转子位置θ2和转速ω2；
步骤三：将补偿后的转子位置θ2与一阶加速度算法估算转子位置θ1协调输出，得到协调输出后的转子位置θr，完成转子位置估算，具体是将上述补偿后的转子位置θ2和由一阶加速算法估算的转子位置θ1分别输入到参数调节器使其变化权值，得到估算转子位置θr，参数调节器具体原理用下式表达：
其中，λ为权值，θr为估算转子位置，ωr为估算转子转速，ω1为一阶加速度算法估算转子转速，ω2为经补偿后滑模观测出的转子转速；
其中，参数调节器中加权值λ的设定方法为：当转速小于n/20时，λ＝1，直接输出由一阶加速度算法估算的转子位置，其中n为额定转速；当转速大于n/20时，则判断转速是否小于n/10，如果转速小于n/10时，给定权值公式如果转速大于n/10时，给定权值公式Δθ为霍尔边界转子位置误差。
优选的，所述步骤一中，对当前转子位置进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，转子位置θ1的估算公式如式(1)所示：
其中，θk为当前霍尔扇区的起始位置、ωk-1为前一霍尔扇区的平均速度，Δt为转子在当前霍尔扇区内运行时间，ak-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度。
优选的，所述步骤二中，滑模观测器的建立方法是：根据电机相电流进行坐标变换，得到α-β坐标系下的电流，根据电机在相应α-β静止坐标系下的数学模型，可得该坐标系下的滑模观测方程：
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子d-q轴电感，vα、vβ分别为电机定子α-β轴电压分量，iα、iβ分别为电机定子α-β轴电流分量，为iα、iβ的估计值，F为sigmoid函数，κ为滑模观测器增益系数；
反电动势的计算方法为：通过滑模观测方程可估算出α-β轴定子反电势为：
其中：分别为α-β轴估计反电势分量，根据电机运行反电动势计算转子位置，并进行线性前馈加权补偿。
优选的，所述构建的滑模观测器中F函数为sigmoid函数，表达式为：
其中，ρ为可调斜率。
优选的，所述步骤二中，通过电机运行反电动势计算转子位置的方法是：通过公式(5)对转子位置进行估算：
其中，和分别为根据反电动势计算得到的估算转子位置和转速，ψf为电机转子永磁体磁链。
优选的，所述步骤二中，通过离散位置信号对提取得到的转子位置进行加权线性前馈矫正的方法是：假设在相邻霍尔扇区运行时间相同，用上一霍尔扇区时间代替当前区间时间，引入一补偿权值n为额定转速，对观测器使用加权线性补偿方法，通过公式(6)对滑模观测值进行线性补偿：
其中，霍尔边界转子位置估算误差，tk是当前霍尔扇区起始时刻，tk-1是上一霍尔扇区起始时刻。
采用上述方案后，本发明可以在较宽转速范围内获得较高精度的观测转子位置。
附图说明
图1霍尔位置传感器分段式估算转子位置算法流程图；
图2霍尔位置传感器安装结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，本发明提供一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，包括如下步骤：
一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，包括如下步骤：
步骤一：将转子一周平均分为六个霍尔扇区，根据三个中心对称安装的开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，通过计算前一时刻霍尔扇区的平均速度、加速度构建一阶加速度算法估算转子位置，得到估算转子位置θ1和转速ω1；
步骤二：通过霍尔电流传感器采集电机运行相电流，进行Clarke变换与Park变换，得到α-β、d-q坐标系电流；建立观测器模型，通过sng函数求出电机运行的反电动势，进而对反电动势中转子位置信息进行提取，将提取得到的转子位置进行霍尔前馈线性加权补偿，得到补偿后的转子位置θ2和转速ω2；
步骤三：将补偿后的转子位置θ2与一阶加速度算法估算转子位置θ1协调输出，得到协调输出后的转子位置θr，完成转子位置估算。
进一步的，上述所述步骤一中，采集的电机运行相电流是：电机实际运行相电流。
进一步的，上述所述步骤一中，对霍尔扇区进行展开，计算前一霍尔扇区运行转速和加速度的方法是：
其中，tk当前霍尔扇区的起始时刻，tk-1是上一霍尔扇区起始时刻。
取转速二阶导数，定义霍尔扇区平均加速度ak-1如下：
其中，ωk为当前霍尔扇区平均速度，ωk-1为前一霍尔扇区平均速度。
进一步的，上述所述步骤一中，计算当前转子位置与转速进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，当前时刻转子位置θ1、瞬时角速度ω1，转子位置估算公式为：
其中，θk为当前霍尔扇区的起始位置、ωk-1为前一霍尔扇区的平均速度，Δt为转子在当前霍尔扇区内运行时间，ak-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度。
进一步的，上述步骤二中，滑模观测器的建立与反电动势的计算方法是：根据电机相电流进行坐标变换，得到α-β坐标系下的电流，根据电机在相应α-β静止坐标系下的数学模型，可得该坐标系下的滑模观测方程为：
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子d-q轴电感，vα、vβ分别为电机定子α-β轴电压分量，iα、iβ分别为电机定子α-β轴电流分量，为iα、iβ的估计值，F为sigmoid函数，κ为滑模观测器增益系数。
通过滑模观测方程可估算出α-β轴定子反电势为：
其中：分别为α-β轴估计反电势分量，根据电机运行反电动势计算转子位置，并进行线性前馈加权补偿。
进一步的，上述所述构建的滑模观测器中F函数为sigmoid函数，表达式为：
其中，ρ为可调斜率。
进一步的，上述所述步骤二中，所述通过电机运行反电动势计算转子角度的方法是：通过下式对转子位置进行估算：
其中，和分别为根据反电动势计算得到的估算转子位置和转速，ψf为电机转子永磁体磁链。
进一步的，上述所述步骤二中，所述步骤二中，通过离散位置信号对提取得到的转子位置进行加权线性前馈矫正的方法是：假设在相邻霍尔扇区运行时间相同，用上一霍尔扇区时间代替当前区间时间，引入一补偿权值n为额定转速，对观测器使用加权线性补偿方法，低速时，滑模观测不准确，霍尔位置传感器观测相对准确，误差权值大，下一周期对误差接近完全补偿，高速时，滑模观测准确，观测器误差的对应权值越小，补偿作用不明显。减小了霍尔位置误差对最终观测结果准确性的影响。通过下式对滑模观测值进行线性补偿：
其中，霍尔边界转子位置估算误差，tk是当前霍尔扇区起始时刻，tk-1是上一霍尔扇区起始时刻。
进一步的，上述所述步骤三中，将补偿后的转子位置θ2与一阶加速度算法估算转子位置θ1协调输出，得到协调输出后的转子位置θr，完成转子位置估算，具体是将上述补偿后的转子位置θ2和由一阶加速算法估算的转子位置θ1分别输入到参数调节器使其变化权值，得到估算转子位置θr，参数调节器具体原理用下式表达：
其中，λ为权值，θr为估算转子位置，ωr为估算转子转速，ω1为一阶加速度算法估算转子转速，ω2为经补偿后滑模观测出的转子转速；
其中，参数调节器中加权值λ的设定方法为：当转速小于n/20时，λ＝1，估算转子位置θr即为由一阶加速度算法估算的转子位置θ1，其中n为额定转速。当转速大于n/20时，则判断转速是否小于n/10，如果转速小于n/10时，给定权值公式其中ωr由上一霍尔扇区的转子转速代入；如果转速大于n/10时，给定权值公式Δθ为霍尔边界转子位置误差。
将相应加权值代入到公式θr＝λθ1+(1-λ)θ2中，即可得到估算转子位置θr，完成转子位置的估算。
综上，本发明在综合考虑成本和控制性能的基础上，可以在较宽范围内较高精度的观测转子位置与转速，具有霍尔位置传感器的估算方法不仅对无传感器滑模算法可靠性有所提升，同时能够提高转子位置估算精度，降低转速估算误差。将平均加速度法计算得到转速信息作为前馈量输入到滑模观测器中不仅能解决滑模观测器存在的起动不可靠和低速平稳性问题，高速下滑模观测器对平均加速度算法进行修正，在霍尔扇区切换时，改进传统线性补偿策略，引入补偿权值的概念，低速时全补偿，高速几乎不补偿。减小霍尔位置传感器安装误差带来的影响，可以达到较高标准的控制要求。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，在转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，通过计算转子在前一霍尔扇区的平均速度、加速度构建一阶加速度算法模型，通过该一阶加速度算法估算转子位置θ1和转速ω1；
步骤二：通过霍尔电流传感器采集电机运行相电流，并进行Clarke变换与Park变换，分别得到α-β、d-q坐标系电流；建立滑模观测器模型，通过sng函数求出电机运行的反电动势，对反电动势中转子位置信息进行提取，将提取得到的转子位置进行霍尔前馈线性加权补偿，得到补偿后的转子位置θ2和转速ω2；
步骤三：将补偿后的转子位置θ2与一阶加速度算法估算转子位置θ1协调输出，得到协调输出后的转子位置θr，完成转子位置估算，具体是将上述补偿后的转子位置θ2和由一阶加速算法估算的转子位置θ1分别输入到参数调节器使其变化权值，得到估算转子位置θr，参数调节器具体原理用下式表达：
其中，λ为权值，θr为估算转子位置，ωr为估算转子转速，ω1为一阶加速度算法估算转子转速，ω2为经补偿后滑模观测出的转子转速；
其中，参数调节器中加权值λ的设定方法为：当转速小于n/20时，λ＝1，直接输出由一阶加速度算法估算的转子位置，其中n为额定转速；当转速大于n/20时，则判断转速是否小于n/10，如果转速小于n/10时，给定权值公式如果转速大于n/10时，给定权值公式Δθ为霍尔边界转子位置误差。
2.如权利要求1所述的霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，其特征在于，所述步骤一中，对当前转子位置进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，转子位置θ1的估算公式如式(1)所示：
其中，θk为当前霍尔扇区的起始位置、ωk-1为前一霍尔扇区的平均速度，Δt为转子在当前霍尔扇区内运行时间，ak-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度。
3.如权利要求1所述的霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，其特征在于，所述步骤二中，滑模观测器的建立方法是：根据电机相电流进行坐标变换，得到α-β坐标系下的电流，根据电机在相应α-β静止坐标系下的数学模型，可得该坐标系下的滑模观测方程：
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子d-q轴电感，vα、vβ分别为电机定子α-β轴电压分量，iα、iβ分别为电机定子α-β轴电流分量，为iα、iβ的估计值，F为sigmoid函数，κ为滑模观测器增益系数；
反电动势的计算方法为：通过滑模观测方程可估算出α-β轴定子反电势为：
其中：分别为α-β轴估计反电势分量，根据电机运行反电动势计算转子位置，并进行线性前馈加权补偿。
4.如权利要求3所述的霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，其特征在于，所述构建的滑模观测器中F函数为sigmoid函数，表达式为：
其中，ρ为可调斜率。
5.如权利要求4所述的霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，其特征在于，所述步骤二中，通过电机运行反电动势计算转子位置的方法是：通过公式(5)对转子位置进行估算：
其中，和分别为根据反电动势计算得到的估算转子位置和转速，ψf为电机转子永磁体磁链。
6.如权利要求5所述的霍尔位置传感器分段式估算转子位置方法，其特征在于，所述步骤二中，通过离散位置信号对提取得到的转子位置进行加权线性前馈矫正的方法是：假设在相邻霍尔扇区运行时间相同，用上一霍尔扇区时间代替当前区间时间，引入一补偿权值n为额定转速，对观测器使用加权线性补偿方法，通过公式(6)对滑模观测值进行线性补偿：
其中，霍尔边界转子位置估算误差，tk是当前霍尔扇区起始时刻，tk-1是上一霍尔扇区起始时刻，Δt为转子在当前霍尔扇区内运行时间。
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