CN110752800B - 一种电机转子位置估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了汽车电机技术领域的一种电机转子位置估算方法，包括如下几个步骤：硬件准备、获取转子位置区域、确定指导量start、更新电机转速Xv和电角度计算参考量teta_est、计算电角度teta_e和电机机械角度teta_m和信息补偿和修正，通过分析永磁同步电机运行特点，借助霍尔传感器获取电机转子的位置区间，基于PI模型，通过算法计算出转子位置信息，具体为本专利采用四个简单的霍尔传感器获得转子的区域位置，借助辅助变量，计算出转子的位置信息，与现有的旋转变压器、其他光电编码器方案对比，能够减少费用，提高准确性和稳定性。

Description

一种电机转子位置估算方法

技术领域

本发明涉及汽车电机技术领域，具体为一种电机转子位置估算方法。

背景技术

永磁同步电机具备结构简单、占用空间小、响应速度快、运行效率高、调速性能好、安全可靠、保养方便等优点，还具有较低的定、转子损耗，拥有较高的功率因数，有利于低碳节能和绿色环保，是汽车领域、工业驱动领域等常用电机类型。

在交流电机控制领域，主流的电机控制策略为矢量控制和直接转矩控制，以及衍生于此两种控制策略的各种高性能控制方法，而这些控制技术的控制效果严重依赖于转子位置信息的获取精度，转子位置的精度直接影响着系统的实际运行性能，因而，如何更好地获得转子磁极的精确位置信息，是永磁同步电机控制领域的研究热点之一。

目前，转子位置检测技术分有传感器检测技术和无传感器检测技术。有传感器位置检测技术主要指通过在系统中加装位置检测传感器来检测转子位置的方法；有传感器位置检测技术根据所添加位置传感器的不同又可分为旋转变压器检测技术、光电编码盘检测技术、解算器检测技术等，其中旋转变压器检测技术、光电编码盘检测技术最为常用，但是，常用的机械式转子位置传感器主要有旋转变压器、磁编码器、光电编码器等，其存在较多缺点：(1)对于应用于高速领域的机械式转子位置传感器价格昂贵，增加电机控制系统的生产成本与安装成本；(2)机械式转子位置传感器的安装会增大电机转子的转动惯量，降低电机的动态性能；(3)机械式位置传感器易受安装精度及环境的影响，抗干扰能力差，降低电机运行的稳定性，故亟需设计一种节约成本，提高精度和稳定性的转子位置估算技术，基于此，本发明设计了一种电机转子位置估算方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机转子位置估算方法，以解决上述背景技术中提出的亟需设计一种节约成本，提高精度和稳定性的转子位置估算技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电机转子位置估算方法，包括如下几个步骤：

步骤一：硬件准备；

选取极对数为四的永磁同步电机，永磁同步电机一个磁场周期为360°，四极对的永磁同步电机的一个磁场周期对应的转子旋转的机械角度为90°，将每个90°的机械周期分为八个等分区间，用四个霍尔传感器A、B、C、D的连续变化来表征每个区间；四个霍尔传感器的变化为1111-1110-1100-1000-0000-0001-0011-0111，一共8种状态，分别对应的电角度区间为[0,45)，[45,90)，[90,135)，[135,180)，[180,225)，[225,270)，[270,315)，[315,360)，其中360°是临界点，同样可以表示为0°，此处规定1111-1110-1100-1000-0000-0001-0011-0111变化次序为正方向，1111-0111-0011-0001-0000-1000-1100-1110变化次序为负方向，通过信息采集电路，系统获取霍尔传感器A、B、C、D的状态信息，然后利用电角度计算模块进行计算；

步骤二：获取转子位置区域；

将步骤一中获取的任意一个电角度将其分为两个基本区间，三个定位量，分别是teta_e_meas、mid、endpt，teta_e_meas为区域的上边界角度，endpt为区域的下边界角度，mid为位置区域角度中间值，区域电角度跨度为45°；

步骤三：确定指导量start；

start指导量根据电机实际转速细分电角度区域，根据实际电机的转速start量的取值有三种情况，第一种情况为teta_e_meas和mid之间，将(teta_e_meas，mid]分为两个区域，第二种情况大小与mid相同，第三种情况取值为(mid，endpt]，将(mid，endpt]分为两个区域；

步骤四：更新电机转速Xv和电角度计算参考量teta_est；

teta_est为电机转速和电角度辅助参考量，利用teta_est与teta_e_meas和endpt之间关系来更新teta_est值；

步骤五：计算电角度teta_e和电机机械角度teta_m；

步骤六：信息补偿和修正；

所述步骤三中计算指导量start，具体方法如下：

第一步，计算中间变量phase，其中Xv为电机的转速，spd0和spd1为用户设置的阈值，其计算公式如下：

第二步，计算start值，计算公式如下：

第三步，完成区域划分

假设电机运行方向为正，转速Xv范围是(spd0，spd1)，其中start＝endpt-phase。

所述步骤四中电角度参考量teta_est计算以霍尔编码的方向正为例，其计算逻辑如下所示：

Xv表示电机转速，Kiv代表Xv的修正值，同时也可以表示单个周期内电转角的变化率，用于更新电角度参考量teta_est；

由于电机转速和单个周期内电转角变化率存在一定的关系，因此可以直接使用Xv来更新teta_est的值，其计算公式如下：

公式中Ku大小由计算周期、电机极对数决定；

所述步骤五获取电角度teta_e和电机机械角度teta_m的具体方法如下：首先通过外部设备获取电机的电角度和机械角度信息；然后利用通信或者IO模块将获取信息传送给MCU；最后MCU通过获取的信息计算得到需要的电机的电角度teta_e和电机机械角度teta_m；

所述步骤六进行信息补偿和修正的具体方法如下：将步骤四中已经计算得到电角度估算值teta_est，teta_e和teta_m计算值如下所示：

teta_e＝teta_est+Δθ Δθ为相位补偿角

teta_m＝teta_e/p p为电机极对数

该方法还包括SVPWM变换单元，所述电角度计算模块、SVPWM变换单元、永磁同步电机和四组霍尔传感器首尾相互信号连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过分析永磁同步电机运行特点，借助霍尔传感器获取电机转子的位置区间，基于PI模型，通过算法计算出转子位置信息，具体为本专利采用四个简单的霍尔传感器获得转子的区域位置，借助辅助变量，计算出转子的位置信息，与现有的旋转变压器、其他光电编码器方案对比，能够减少费用，提高准确性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电角度θ示意图；

图2为本发明电转角区域划分图；

图3为本发明电角度计算结构图；

图4为本发明start区域划分图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种电机转子位置估算方法，包括如下几个步骤：

步骤一：硬件准备；选取极对数为四的永磁同步电机，永磁同步电机一个磁场周期为360°，四极对的永磁同步电机的一个磁场周期对应的转子旋转的机械角度为90°，如图1所示，将每个90°的机械周期分为八个等分区间，用四个霍尔传感器A、B、C、D的连续变化来表征每个区间；四个霍尔传感器的变化为1111-1110-1100-1000-0000-0001-0011-0111，一共8种状态，分别对应的电角度区间为[0,45)，[45,90)，[90,135)，[135,180)，[180,225)，[225,270)，[270,315)，[315,360)，其中360°是临界点，同样可以表示为0°，此处规定1111-1110-1100-1000-0000-0001-0011-0111变化次序为正方向，1111-0111-0011-0001-0000-1000-1100-1110变化次序为负方向，通过信息采集电路，系统获取霍尔传感器A、B、C、D的状态信息，然后利用电角度计算模块进行计算；

步骤二：获取转子位置区域；转子在旋转过程中会分别通过四个霍尔传感器，引起传感器的0、1状态变化，根据四个霍尔传感器编码确定转子所在区间，每个区域的电角度如图2所示，将步骤一中获取的任意一个电角度将其分为两个基本区间，三个定位量，分别是teta_e_meas、mid、endpt，teta_e_meas为区域的上边界角度，endpt为区域的下边界角度，mid为位置区域角度中间值，区域电角度跨度为45°；

步骤三：确定指导量start；

start指导量根据电机实际转速细分电角度区域，根据实际电机的转速start量的取值有三种情况，第一种情况为teta_e_meas和mid之间，将(teta_e_meas，mid]分为两个区域，第二种情况大小与mid相同，第三种情况取值为(mid，endpt]，将(mid，endpt]分为两个区域；

步骤四：更新电机转速Xv和电角度计算参考量teta_est；

teta_est为电机转速和电角度辅助参考量，利用teta_est与teta_e_meas和endpt之间关系来更新teta_est值；

步骤五：计算电角度teta_e和电机机械角度teta_m；

步骤六：信息补偿和修正。

永磁同步电机中，磁场每转过一对磁极时，导体的基波电动势变化一个周期，在电路理论中定义一个周期为360°空间电角度，所以把一对磁极所延长的空间角度称为360°空间电角度，若电机有P对极，则整个定子内圆有P×360°电角度，在几何学中一个圆周的空间角度称为360°机械的角度，所以电角度和机械角度的关系为电角度＝P×机械角度，如图3所示。

步骤三中计算指导量start，具体方法如下：

第一步，计算中间变量phase，其中Xv为电机的转速，spd0和spd1为用户设置的阈值，其计算公式如下：

第二步，计算start值，计算公式如下：

第三步，完成区域划分

假设电机运行方向为正，转速Xv范围是(spd0，spd1)，形成的区域划分如图4所示，其中start＝endpt-phase，

步骤四中电角度参考量teta_est计算以霍尔编码的方向正为例，其计算逻辑如下所示：

Xv表示电机转速，Kiv代表Xv的修正值，同时也可以表示单个周期内电转角的变化率，用于更新电角度参考量teta_est；

由于电机转速和单个周期内电转角变化率存在一定的关系，因此可以直接使用Xv来更新teta_est的值，其计算公式如下：

公式中Ku大小由计算周期、电机极对数决定，

步骤五获取电角度teta_e和电机机械角度teta_m的具体方法如下：首先通过外部设备获取电机的电角度和机械角度信息；然后利用通信或者IO模块将获取信息传送给MCU；最后MCU通过获取的信息计算得到需要的电机的电角度teta_e和电机机械角度teta_m，

步骤六进行信息补偿和修正的具体方法如下：将步骤四中已经计算得到电角度估算值teta_est，teta_e和teta_m计算值如下所示：

teta_e＝teta_est+Δθ Δθ为相位补偿角

teta_m＝teta_e/p p为电机极对数

其中，还包括SVPWM变换单元，电角度计算模块、SVPWM变换单元、永磁同步电机和四组霍尔传感器首尾相互信号连接。

电机的角度teta_e和机械角度teta_m计算策略需要硬件和算法共同作用，首先由硬件获取基本的位置信息，然后通过算法计算策略得到电机的角度信息，整个控制过程结合了PID控制思想，借助各种辅助变量，在实际使用过程中需要根据系统的不同对相关参数进行调整。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种电机转子位置估算方法，其特征在于：包括如下几个步骤：

步骤一：硬件准备；

选取极对数为四的永磁同步电机，永磁同步电机一个磁场周期为360°，四极对的永磁同步电机的一个磁场周期对应的转子旋转的机械角度为90°，将每个90°的机械周期分为八个等分区间，用四个霍尔传感器A、B、C、D的连续变化来表征每个区间；四个霍尔传感器的变化为1111-1110-1100-1000-0000-0001-0011-0111，一共8种状态，分别对应的电角度区间为[0,45)，[45,90)，[90,135)，[135,180)，[180,225)，[225,270)，[270,315)，[315,360)，其中360°是临界点，同样可以表示为0°，此处规定1111-1110-1100-1000-0000-0001-0011-0111变化次序为正方向，1111-0111-0011-0001-0000-1000-1100-1110变化次序为负方向，通过信息采集电路，系统获取霍尔传感器A、B、C、D的状态信息，然后利用电角度计算模块进行计算；

步骤二：获取转子位置区域；

将步骤一中获取的任意一个电角度将其分为两个基本区间，三个定位量，分别是teta_e_meas、mid、endpt，teta_e_meas为区域的上边界角度，endpt为区域的下边界角度，mid为位置区域角度中间值，区域电角度跨度为45°；

步骤三：确定指导量start；

start指导量根据电机实际转速细分电角度区域，根据实际电机的转速start量的取值有三种情况，第一种情况为teta_e_meas和mid之间，将(teta_e_meas，mid]分为两个区域，第二种情况大小与mid相同，第三种情况取值为(mid，endpt]，将(mid，endpt]分为两个区域；

步骤四：更新电机转速Xv和电角度计算参考量teta_est；

teta_est为电机转速和电角度辅助参考量，利用teta_est与teta_e_meas和endpt之间关系来更新teta_est值；

步骤五：计算电角度teta_e和电机机械角度teta_m；

步骤六：信息补偿和修正；

所述步骤三中计算指导量start，具体方法如下：

第一步，计算中间变量phase，其中Xv为电机的转速，spd0和spd1为用户设置的阈值，其计算公式如下：

第二步，计算start值，计算公式如下：

第三步，完成区域划分

假设电机运行方向为正，转速Xv范围是(spd0，spd1)，其中start＝endpt-phase；

所述步骤四中电角度参考量teta_est计算以霍尔编码的方向正为例，其计算逻辑如下所示：

Xv表示电机转速，Kiv代表Xv的修正值，同时也可以表示单个周期内电转角的变化率，用于更新电角度参考量teta_est；

由于电机转速和单个周期内电转角变化率存在一定的关系，因此可以直接使用Xv来更新teta_est的值，其计算公式如下：

公式中Ku大小由计算周期、电机极对数决定；

所述步骤五获取电角度teta_e和电机机械角度teta_m的具体方法如下：首先通过外部设备获取电机的电角度和机械角度信息；然后利用通信或者IO模块将获取信息传送给MCU；最后MCU通过获取的信息计算得到需要的电机的电角度teta_e和电机机械角度teta_m；

所述步骤六进行信息补偿和修正的具体方法如下：步骤四中已经计算得到电角度估算值teta_est，则teta_e和teta_m计算值如下所示：

teta_e＝teta_est+Δθ Δθ为相位补偿角

teta_m＝teta_e/p p为电机极对数。

2.根据权利要求1所述的一种电机转子位置估算方法，其特征在于：还包括SVPWM变换单元，所述电角度计算模块、SVPWM变换单元、永磁同步电机和四组霍尔传感器首尾相互信号连接。

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