CN110380653B - 基于霍尔位置传感器的矢量控制位置估计补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，包括如下步骤：对永磁同步电机中转子的电角度周期进行每个电角度的扇区划分，在霍尔位置传感器信号跳边沿的时候得到对应扇区的实际初始角度θrb；根据永磁同步电机转速估算一个区间之内的角度增量θi；根据公式θe＝θrb+θi得到估计角度θe；进一步计算霍尔位置传感器实际安装角度θr；最后将估计角度θe与实际安装角度θr作差，得到误差Eθ，并通过PI调节器计算得到补偿值θc，如此循环执行上述过程多个周期后，Eθ将趋近0，在进行电机控制时，极大地减小了三相正弦电压波形畸变，减小了转矩脉动和噪声。

Description

基于霍尔位置传感器的矢量控制位置估计补偿方法

技术领域：

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法。

背景技术：

永磁同步电机常用的转子位置传感器有旋转变压器、正交编码器、霍尔位置传感器。其中旋转变压器和正交编码器的优点是精度很高，但是需要在电机上加装额外的设备；霍尔传感器可以直接安装在电机内部，简单方便，缺点是精度低。三相霍尔位置传感器提供的三相位置信号如图1所示，当转子匀速旋转时霍尔位置传感器提供三路占空比为50％，相位互差120°的方波信号。三路方波信号的上升和下降沿将一个360°的电周期平均分成了6个区间，每个区间为60°电角度。因此霍尔位置传感器的分辨率只有60°的电角度，在每一个区间内的转子具体位置则需依靠位置估计算法进行估算。

现有的位置估计方法解决了采用精度很低的霍尔位置传感器如何实时计算转子位置的问题，但是，由于霍尔位置传感器安装的机械精度往往达不到要求，其霍尔位置传感器传回的三路方波信号相位差并不是精确地等于120°，特别是当电机的极对数很多的时候，机械精度的误差往往会造成数倍电角度的误差。另外，由于转子永磁体无法做到磁极完全对称，因此霍尔位置传感器的每一路方波信号占空比相对50％也可能存在误差。如图2所示，这些问题导致的结果是电机匀速运转时6个位置区间长度分布是不均匀的，并不是理想情况下的60°电角度，区间长度差值最大可达15°之多。

例如，某位置区间初始角度值为120°，区间实际对应电角度为55°，公式60*t/T中，该区间即将结束时，假设t＝t1，则t1对应电机转过55°电角度所需时间，而T是连续统计多个电机转过单位置区间所用时间进行平均滤波后的值，T不会随着上述安装精度或者转子对称性造成的误差而发生变化，依然对应电机转过60°电角度所用时间。因此，t1<T，公式60*t/T计算出的该区间角度变化范围近似为0°-55°。到本位置区间结束时，总的位置角度为120+55＝175°，但是到下个位置区间开始时，位置角度变为下一个区间的初始角度值180°，发生了5°的位置角度跳变。同理，若某区间实际对应电角度大于60°，通过公式60*t/T估算出来的位置角度变化值最后也会超过60°，出现角度跳变。

尽管现有技术对公式60*t/T计算结果的最大值进行了限制——如果结果超过60°，则等于60°。于是，当某区间实际对应电角度大于60°时，计算出来的位置角不会出现跳变，但是会出现一段斜率为零的台阶。而某区间实际对应电角度小于60°时，依然会出现角度跳变。跳变和台阶的示意绘图如图2所示。当位置估计得到的角度出现跳变或者台阶时，势必会造成输入到永磁同步电机的正弦电压波形发生畸变，增大转矩波动，影响电机控制效果。

现有专利同时已对永磁同步电机基于霍尔位置传感器的相关位置估计补偿技术进行了讨论，如专利申请号为201210403475.6，申请日为2012.10.22，名称为“基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法”的发明专利申请，其技术方案为：

1、定义三相霍尔位置信号的区间序号i和区间初始角度值，如图1所示，设ABC三相霍尔信号高电平时为1，低电平时为0。

ABC＝101：i＝1，区间初始角度值：0°

ABC＝100：i＝2，区间初始角度值：60°

ABC＝110：i＝3，区间初始角度值：120°

ABC＝010：i＝4，区间初始角度值：180°

ABC＝011：i＝5，区间初始角度值：240°

ABC＝001：i＝6，区间初始角度值：300°

2、以VVVF恒压频比方式驱动永磁同步电机开环以固定速度匀速运转，三相霍尔位置信号每一路的上升及下降沿均触发一个中断，一个电周期总共会触发6次中断，分别对应步骤2中的6个位置区间。用计时器记录每相邻两次中断之间的时间x[i]，其中i是步骤1中所述位置区间序号。x[i]即电机转过该位置区间实际所需时间，因此x[i]＝V[i]T。x[i]的大小反映了每个位置区间角度不均匀分布的情况。

3、令，则S为电机匀速转过一个完整的电角度周期(360°)所需的时间。由于T是电机匀速转过60°电角度所需的时间，因此S＝6*T。

4、对序号为i的位置区间，有，至此得到了每个位置区间角度变化值估算公式的修正补偿参数。

5、将步骤4所计算的参数向量保存至控制芯片的存储区，退出VVVF开环运行方式，即可运用现有的永磁同步电机控制技术，结合补偿后的区间内位置变化估计公式60*t/(V[i]*T)，改用闭环矢量控制方式实现带位置估计补偿的永磁同步电机稳定运转。

然而上述解决方法存在以下问题：

1：若一个永磁同步电机有n对极，安装有3个霍尔位置传感器，需要矫正的区间数为n*6，而上述方法之补偿了6个区间，也就是说，只补偿了霍尔传感器安装位置对于某一对极的偏差，没有对霍尔传感器对于所有对极的偏差进行矫正。

2：上述方法需要电机在正式使用之前将负载脱离，开环拖动并进行矫正后才能正常运行，需要数据存储介质，且操作不方便。

发明内容：

发明目的：本发明为解决现有的永磁同步电机控制中，位置估计算法受霍尔位置传感器安装精度和转子磁钢磁极对称性影响误差较大的技术问题，提出一种新的基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，既可以补偿霍尔传感器安装位置偏差，也可以补偿永磁体一致性问题带来的位置角畸变，同时无需存储介质，进行在线补偿。在稳态时，可以使估算出的位置角是一致连续的，不会出现跳变或者台阶，极大地减小了三相正弦电压波形畸变，减小了转矩脉动和噪声。

本发明采用的技术方案是：基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，其特征过程如下：

基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：对永磁同步电机中转子的电角度周期进行每个电角度的扇区划分，在霍尔位置传感器信号跳边沿的时候得到对应扇区的实际初始角度θrb；根据永磁同步电机转速估算一个区间之内的角度增量θi；根据公式θe＝θrb+θi得到估计角度θe；进一步计算霍尔位置传感器实际安装角度θr；最后将估计角度θe与实际安装角度θr作差，得到误差Eθ，并通过PI调节器计算得到补偿值θc，如此循环执行上述过程多个周期后，Eθ将趋近0。

进一步：得到对应扇区的实际初始角度θrb方法如下：

(1)、若电机极对数为p，相数为3，安装霍尔传感器数量为3，则将转子一个机械角度周期分为p个电角度周期，将每个电周期分为6个扇区，即一个机械周期分为6*p个扇区，要补偿的初始角度个数为6*p。在理想状况下，扇区的初始角度θb为0°，60°，120°，180°,240°，300°。电机正转时，电角度变大，电机反转时，电角度变小。若电机正转，将检测到的霍尔信号第二个跳变沿作为第一个初始角度，因为只有一个跳变沿信号无法测速，每检测到一次跳变信号，扇区号加1。若电机反转，将检测到的霍尔信号第二个跳变沿作为第6*p个初始角度，每检测到一次跳变信号，扇区号减1。接下先讨论电机正转情况。

(2)、得到对应扇区的实际初始角度θrb：该角度是经过补偿后的角度，即：θrb＝θb-θc。其中θb为当前扇区的未经补偿初始角，θc为补偿值，补偿值一开始为0。

进一步：估算一个区间之内的角度增量θi方法如下：

角度增量θi由θi＝60°*t/T估算得到，其中，在电机匀速转动的情况下，若霍尔安装角度无偏差，单个位置区间所对应电角度理想情况下恒等于60°，由于安装误差将导致单个位置区间的电角度不等于60°，此处将其认为是60°；t为程序控制周期在当前区间内所经过的时间，每次换区间后清零；T为电机转过每个电角度为60°的区间所需要的时间，换句话说，T是电机转过60°的电角度所对应的时间。由于电机匀速运动，随着时间的变化，在某个位置区间内的角度增量θi会匀速增加，当t＝0时，角度变化值也为0，当t＝T时，一个区间结束，下一个区间即将开始。

进一步：计算估计角度θe方法如下

根据公式θe＝θrb+θi，在一个电角度周期内得到多个角度值，该角度为估计角度θe，θe将用于矢量控制，作为电机转子的当前位置角度。

进一步：计算霍尔实际安装角度θr方法如下

在霍尔传感器信号更新时刻，进入下一个扇区，根据3个霍尔传感器状态得到未经补偿的安装位置角度值θs，并与补偿值θc相减得到霍尔实际安装角度θr，即θr＝θs-θc。同时，θe与实际安装角度θr作差后θs也将作为当前扇区的初始角θb。

进一步，计算补偿值θc方法如下

将估计的角度θe与实际安装角度θr作差，得到误差Eθ。并通过PI调节器计算得到θc；

进一步，在经过多个周期后，Eθ趋近0，此时说明估计的转子角度与实际安装角度偏差接近0，则估算出的转子角度也将是连续变化的。

进一步，可以通过改变Kp和KI的大小来调节Eθ趋近0的速度，其中Kp和KI分别是PI调节器的比例系数和积分系数，可以将Kp设置为0，通过调节Ki来改善调节效果。在一定条件下，KI越大，Eθ趋近0的速度越快，但由于扇区内转子估算角度θe是根据上一个扇区的速度计算得到，若相邻两个扇区的电机转速变化较大，则估算角度偏差较大，若KI过大，则Eθ很难收敛到0。在具体的实施过程中，要将第一个初始角度的补偿值θc1设置为0，即假定第一个初始角度是没有安装误差的。否则其余初始角的补偿值将无法稳定，以至于补偿值要么一直变大，要么一直变小，导致位置估计错误。

本发明的有益效果是：

现有的永磁同步电机控制中，霍尔位置传感器安装位置存在偏差和转子磁钢磁极不对称易造成估算出的位置角畸变，从而影响控制效果。现有补偿方法需要电机在正式使用之前将负载脱离，开环拖动并进行矫正后才能正常运行，需要数据存储介质，且操作不方便。本发明提出一种基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，既可以补偿霍尔传感器安装位置偏差，也可以补偿永磁体一致性问题带来的位置角畸变，同时无需存储介质，实现在线补偿。在稳态时，可以使估算出的位置角是一致连续的，不会出现跳变或者台阶，极大地减小了三相正弦电压波形畸变，减小了转矩脉动和噪声。

附图说明：

附图1理想情况下三相霍尔位置传感器提供的位置信号。

附图2实际情况下三相霍尔位置传感器提供的位置信号及位置估计效果。

附图3为本发明的原理示意图。

附图4为经本发明补偿后的位置估计效果。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

附图3为本发明的原理示意图，首先在霍尔跳边沿的时候得到对应扇区的实际初始角度θrb；根据电机转速估算一个区间之内的角度增量θi；计算得到估计角度θe；接着计算得到霍尔实际安装角度θr，然后计算补偿值θc；如此循环执行上述过程多个周期后，Eθ将趋近0。

步骤1：得到对应扇区的实际初始角度θrb

(1)、若电机极对数为p，相数为3，安装霍尔传感器数量为3，则将转子一个机械角度周期分为p个电角度周期，将每个电周期分为6个扇区，即一个机械周期分为6*p个扇区，要补偿的初始角度个数为6*p。在理想状况下，扇区的初始角度θb为0°，60°，120°，180°,240°，300°。电机正转时，电角度变大，电机反转时，电角度变小。若电机正转，将检测到的霍尔信号第二个跳变沿作为第一个初始角度，因为只有一个跳变沿信号无法测速，每检测到一次跳变信号，扇区号加1。若电机反转，将检测到的霍尔信号第二个跳变沿作为第6*p个初始角度，每检测到一次跳变信号，扇区号减1。接下先讨论电机正转情况。

(2)、得到对应扇区的实际初始角度θrb：该角度是经过补偿后的角度，即：θrb＝θb-θc。其中θb为当前扇区的未经补偿初始角，θc为补偿值，补偿值一开始为0。

步骤2：估算一个区间之内的角度增量θi

角度增量θi由θi＝60°*t/T估算得到，其中，在电机匀速转动的情况下，若霍尔安装角度无偏差，单个位置区间所对应电角度理想情况下恒等于60°，虽然由于安装误差会导致单个位置区间的电角度不等于60°，而此处将其认为是60°；t为程序控制周期在当前区间内所经过的时间，每次换区间后清零；T为电机转过每个电角度为60°的区间所需要的时间，换句话说，T是电机转过60°的电角度所对应的时间。由于电机匀速运动，随着时间的变化，在某个位置区间内的角度增量θi会匀速增加，当t＝0时，角度变化值也为0，当t＝T时，一个区间结束，下一个区间即将开始。

步骤3：计算估计角度θe

根据公式θe＝θrb+θi，在一个电角度周期内得到多个角度值，该角度为估计角度θe，θe将用于矢量控制，作为电机转子的当前位置角度。

步骤4：计算霍尔实际安装角度θr

在霍尔传感器信号更新时刻，进入下一个扇区，根据3个霍尔传感器状态得到未经补偿的安装位置角度值θs，并与补偿值θc相减得到霍尔实际安装角度θr，即θr＝θs-θc。同时，θs也将作为当前扇区的未经补偿初始角θb。

步骤5：计算补偿值θc

将估计的角度θe与实际安装角度θr作差，得到误差Eθ。并通过PI调节器计算得到θc；

步骤6：如此循环往复执行过程1、2、3、4、5，在经过多个周期后，Eθ趋近0，此时说明估计的转子角度与实际安装角度偏差接近0，则估算出的转子角度也将是连续变化的。

进一步地：可以通过改变Kp和KI的大小来调节Eθ趋近0的速度，其中Kp和KI分别是PI调节器的比例系数和积分系数，可以将Kp设置为0，通过调节Ki来改善调节效果。在一定条件下，KI越大，Eθ趋近0的速度越快，但由于扇区内转子估算角度θe是根据上一个扇区的速度计算得到，若相邻两个扇区的电机转速变化较大，则估算角度偏差较大，若KI过大，则Eθ很难收敛到0。

在具体的实施过程中，要将第一个初始角度的补偿值θc1设置为0，即假定第一个初始角度是没有安装误差的。否则其余初始角的补偿值将无法稳定，以至于补偿值要么一直变大，要么一直变小，导致位置估计错误。

接下来给出具体的实施案例：

检测到第2个跳边沿时，根据霍尔传感器的状态变化，判断出电机正转，且对应的转子角度θr＝θs为0°。将当前位置设置为第1个扇区的初始角度θrb，初始角度为0°。且两次跳变沿的时间间隔为T，则在第一个扇区内运行t时间时，转子估计角度θe＝θrb+θi，即θe＝0°+60*t/T。

检测到第3个跳边沿时，进入第2扇区，根据霍尔状态，得到第2扇区未经补偿的安装角度θs＝60°且补偿值θc＝0°，则θr＝θs-θc＝60°。且第1扇区运行总时间为0.9T，得到第2扇区初始角估计值为θe＝0°+60*0.9T/T＝54°，则Eθ＝θr-θe＝6°。假设Ki＝0.1,则θc＝θc+Eθ*Ki＝0.6°，则此时θs也将作为当前扇区的初始角θb,即θb＝60°。则得到第2扇区初始角θrb＝θb-θc＝59.4。

在经历6*p+3个跳变沿后，又回到第2扇区，此时补偿后的初始角θrb＝59.4。且第1扇区运行总时间为0.9T，得到当前估算角度为θe＝0°+60*0.9/T＝54°，则Eθ＝θr-θe＝59.4°-54°＝5.4°。假设Ki＝0.1,则θc＝0.6+Eθ*Ki＝1.14°。则此时得到第2扇区初始角θrb＝θb-θc＝58.86°。

运行一段时间后Eθ接近0，θc接近6°，即θrb＝θs-θc＝54°。也就是说，第2扇区初始角度θrb为54°，因此实现对霍尔位置的补偿。

其他扇区也采用同样的方法得到对应的θc以及θr。

进一步的，为什么不将Ki直接设置为1呢，这样可以一次实现补偿？因为单次的速度检测是不准确的，尤其是电机运行速度不稳定的时候，如果速度检测不准确，θe计算不准确，Eθ不准确，Eθ*Ki结果较大，势必使θc出现较大变化，且Eθ无法收敛到0，θc无法收敛到某个稳定地值。将导致θr剧烈变化，影响控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：对永磁同步电机中转子的电角度周期进行每个电角度的扇区划分，在霍尔位置传感器信号跳边沿的时候得到对应扇区的实际初始角度θrb；根据永磁同步电机转速估算一个区间之内的角度增量θi；根据公式θe=θrb+θi得到估计角度θe；进一步计算霍尔位置传感器实际安装角度θr；最后将估计角度θe与霍尔位置传感器实际安装角度θr作差，得到误差Eθ，并通过PI调节器计算得到补偿值θc，如此循环执行上述过程多个周期后，Eθ将趋近0；

得到对应扇区的实际初始角度θrb方法如下：

1）、设永磁同步电机极对数为p，相数为3，安装霍尔传感器数量为3，则将转子一个机械角度周期分为p个电角度周期，将每个电角度周期分为6个扇区，即一个机械周期分为6*p个扇区，要补偿的初始角度个数为6*p，在理想状况下，扇区的初始角度θb为0°，60°，120°，180°,240°，300°，若永磁同步电机正转，将检测到的霍尔信号第二个跳变沿作为第一个初始角度，每检测到一次跳变信号，扇区号加1；若永磁同步电机反转，将检测到的霍尔信号第二个跳变沿作为第6*p个初始角度，每检测到一次跳变信号，扇区号减1；

2）、得到对应扇区的实际初始角度θrb：该实际初始角度θrb是经过补偿后的角度，即：

θrb=θb-θc，其中θb为当前扇区的未经补偿的初始角度，θc为补偿值，补偿值一开始为0；

估算一个区间之内的角度增量θi方法如下：

角度增量θi由θi=60°*t/T估算得到，其中，在永磁同步电机匀速转动的情况下，若霍尔安装角度无偏差，单个位置区间所对应电角度理想情况下恒等于60°，t为程序控制周期在当前区间内所经过的时间，每次换区间后清零；T为永磁同步电机转过每个电角度为60°的区间所需要的时间，T也是永磁同步电机转过60°的电角度所对应的时间；由于永磁同步电机匀速运动，随着时间的变化，在某个位置区间内的角度增量θi会匀速增加，当t=0时，角度变化值也为0，当t=T时，一个区间结束，下一个区间即将开始；

要将第一个初始角度的补偿值θc1设置为0，即假定第一个初始角度是没有安装误差的，否则其余初始角度的补偿值将无法稳定，以至于补偿值要么一直变大，要么一直变小，导致位置估计错误。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，其特征在于，计算估计角度θe时，在一个电角度周期内得到多个角度值，该角度值为估计角度θe，θe将用于矢量控制，作为永磁同步电机转子的当前位置角度。

3.根据权利要求1所述的基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，其特征在于，计算得到霍尔位置传感器实际安装角度θr方法如下：

在霍尔位置传感器信号更新时刻，进入下一个扇区，根据3个霍尔传感器状态得到未经补偿的安装位置角度值θs，并与补偿值θc相减得到霍尔位置传感器实际安装角度θr，即θr=θs-θc；同时，θe与霍尔位置传感器实际安装角度θr作差后θs也将作为当前扇区的初始角度θb。

4.根据权利要求1所述的基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，其特征在于，Eθ趋近0说明估计的转子角度与霍尔位置传感器实际安装角度偏差接近0，则估算出的转子角度也将是连续变化的。

5.根据权利要求4所述的基于霍尔位置传感器的永磁同步电机位置估计补偿方法，其特征在于，还包括，通过PI调节器改变Kp和KI的大小来调节Eθ趋近0的速度，其中Kp和KI分别是PI调节器的比例系数和积分系数，将Kp设置为0，通过调节KI来改善调节效果；在一定条件下，KI越大，Eθ趋近0的速度越快，但由于扇区内转子估计角度θe是根据上一个扇区的速度计算得到，若相邻两个扇区的永磁同步电机转速变化大，则估计角度θe偏差大，不利于Eθ收敛到0。

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