CN111355410A - 一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法，涉及电机技术领域，该方法利用三扇区平均速度补偿方法中存在的位置偏差分量的数学模型，利用变参数的PI型锁相环进行位置估计，该方法对一定范围内的霍尔安装偏差具有较强的鲁棒性，适应了不同偏差情况下位置估计精度，采用以电角速度为基础的归一化锁相环参数设计，保证了在不同转速下同等的观测效果。

Description

一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其是一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)以其效率高、功率密度大等优点在新能源电动车和小功率伺服系统中的应用日益广泛，而其矢量控制策略因其控制性能优越在工业中被大量采用。高性能的矢量控制系统以电机转子位置的精确检测为基础，目前主要有高精度位置传感器矢量控制方案、无位置传感器矢量控制方案和低精度位置传感器矢量控制方案三种：(1)高精度位置传感器矢量控制方案利用高精度位置传感器检测电机转子位置，应用最多的是旋转变压器和高精度光栅编码器，但位置解码电路复杂且成本相对较高。(2)无位置传感器矢量控制方案主要以反电势观测和高频信号注入法为主，总体上尚未成熟，在对系统可靠性要求较高的场合无法有效应用。(3)低精度位置传感器矢量控制方案介于前两者之间，是利用低精度霍尔位置传感器检测转子位置，可靠性较高且实现方式较简单、成本较低，在工程应用中日益增多。但在低精度位置传感器矢量控制方案中，霍尔信号和电机转子位置存在确定的关系，当霍尔传感器存在安装偏差时会导致位置估计精度低的问题，影响系统控制的准确性。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法，包括如下步骤：
在永磁同步电机运行时，通过安装在转子周围的三个霍尔传感器获取三路霍尔信号，根据霍尔信号将转子一周分为六个霍尔扇区；
利用上一次霍尔检测计算得到的位置信号以及前三个连续的霍尔扇区的时间计数平均值进行线性插值得到当前霍尔检测计算得到的位置信号；
将当前霍尔检测计算得到的位置信号和位置信号估算值按照公式sinθHallcosθes-cosθHallsinθes计算得到角度的偏差信号，将偏差信号作为PI型锁相环的输入；其中，θHall表示当前霍尔检测计算得到的位置信号，θes表示位置信号估算值；
确定实时电角速度并根据实时电角速度和带宽下限确定PI锁相环的实时截止频率，PI型锁相环根据实时截止频率对偏差信号进行调节，并将PI型锁相环的输出作为位置信号估算值进行闭环反馈直至偏差信号达到0；
根据PI型锁相环的输出得到转子位置角度。
其进一步的技术方案为，偏差信号θerr(ωet)的表达式为：
Figure BDA0002453743050000021
其中θoffset为直流分量，直流分量的取值与三个霍尔传感器的霍尔偏差角度存在对应关系；
Figure BDA0002453743050000022
表示交流偶次分量，an和bn均为参数，n为参数，ωe表示电角速度参数；
则PI型锁相环包括串联的陷波器和PI调节器，PI型锁相环根据实时截止频率滤除偏差信号中的交流偶次分量，根据三个霍尔传感器的霍尔偏差角度滤除偏差信号中的直流分量。
其进一步的技术方案为，偏差信号中的直流分量为
Figure BDA0002453743050000023
其中，θHa、θHb、θHc分别表示三个霍尔传感器的霍尔偏差角度。
其进一步的技术方案为，根据实时电角速度和带宽下限确定PI锁相环的实时截止频率，包括确定实时截止频率为实时电角速度或带宽下限，实时截止频率ωc的取值为：
Figure BDA0002453743050000024
其中，
Figure BDA0002453743050000025
表示实时电角速度，ωth表示带宽下限。
其进一步的技术方案为，确定实时电角速度包括确定实时电角速度为：
Figure BDA0002453743050000026
其中，
Figure BDA0002453743050000027
表示实时电角速度，Tav6表示前6个连续的霍尔扇区的时间计数平均值，
Figure BDA0002453743050000028
Ti-j表示前第j+1个霍尔扇区的时间计数值，0≤j≤5，Tb为控制器定时器的时基且单位为秒。
其进一步的技术方案为，利用上一次霍尔检测计算得到的位置信号以及前三个连续的霍尔扇区的时间计数平均值进行线性插值得到当前霍尔检测计算得到的位置信号，包括确定当前霍尔检测计算得到的位置信号为：
Figure BDA0002453743050000031
其中，θHall表示当前霍尔检测计算得到的位置信号，K是最近一次霍尔跳变发生的时间计数值，Tav3表示前3个连续的霍尔扇区的时间计数平均值，
Figure BDA0002453743050000032
Ti-k表示前第k+1个霍尔扇区的时间计数值，0≤k≤2。
本发明的有益技术效果是：
本专利提供了一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法，针对PMSM霍尔位置存在偏差时，三扇区平均速度位置补偿方法存在的问题，提出了采用一种N-PI型变参数PLL的位置估计方法，该方法对一定范围内的霍尔安装偏差具有较强的鲁棒性，适应了不同偏差情况下位置估计精度，采用以电角速度为基础的归一化锁相环参数设计，保证了在不同转速下同等的观测效果。
附图说明
图1是本申请的方法的逻辑流程图。
图2是霍尔传感器的安装示意图以及霍尔偏差角度示意图。
图3是补偿结果示意图。
图4是本申请的方法在750rpm-1500rpm加速中的位置和速度效果图。
图5是采用本申请的方法补偿时与采用传统单扇区补偿时的对比效果图。
图6是采用本申请的方法补偿时与采用传统单扇区补偿时的电流控制效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法，请结合图1所示的流程图，该方法的过程及原理如下：
在永磁同步电机运行时，通过安装在转子周围中心的三个霍尔传感器获取三路霍尔信号，根据霍尔信号将转子一周分为六个霍尔扇区。当永磁同步电机(PMSM)采用低精度的霍尔传感器检测转子的位置时，如图2所示，理论上三个霍尔传感器Ha、Hb、Hc应该安装在转子周围(通常安装在定子上)互差120°电角度的位置，当转子匀速旋转的过程中，三个霍尔传感器通过检测磁场变化产生三个互差120°电角度的方波信号，在一个电周期内，三个霍尔信号共输出六个状态。在Ha检测到磁场极性跳变的时候，正好是A相绕组反电势过零的时刻，当转子转过180°电角度时，Ha完成一个上升沿和一个下降沿的检测，Hb、Hc也检测到一次磁场过零，从而将转子转过的位置分为三个霍尔扇区，在每个霍尔扇区的时记为T1、T2、T3，同理，在180°～360°电角度的三个霍尔扇区的时间记为T4、T5、T6，当霍尔传感器的位置没有偏差且电机匀速旋转时T1～T6相等。
当三个霍尔传感器发生位置偏差时，假设三个霍尔传感器的霍尔偏差角度依次为θHa、θHb、θHc，如图2中所示，以三个霍尔传感器互差120°的安装位置为三个霍尔传感器的理论安装位置，霍尔偏差角度是霍尔传感器的实际安装位置与理论安装位置之间的角度差，霍尔偏差角度的正负表示实际安装位置相对于理论安装位置的顺逆时针的不同，比如在本申请中，假设当实际安装位置相对于理论安装位置存在顺时针的偏差时、霍尔偏差角度为正，反之为负，图2以三个霍尔偏差角度均为正为例。
这时如果三个霍尔传感器的霍尔偏差角度互不相等，则检测到六个霍尔扇区时间T1～T6不再满足相等关系，因为同一个霍尔传感器检测到的是电机一个完整的180°电角度跳变，所以同一个霍尔传感器检测到的方波信号依然满足50％占空比，即在如下式(1)中，三个霍尔信号的脉宽时间THa_sum、THb_sum、THc_sum均分别和理想时相同，同时，T1与T4、T2与T5、T3与T6依然满足相等关系：
Figure BDA0002453743050000041
由于三个霍尔传感器的霍尔偏差角度互不一定相等，导致霍尔传感器检测到的每个扇区不再是60°电角度，如果按照前一个扇区的时间计算的平均速度进行位置估计，将导致严重的位置估计误差。然而在不考虑电机磁钢安装偏差的情况下，同一个霍尔传感器检测到的180°电角度是准确无误的，从而三个连续霍尔扇区的平均速度和转子真实速度是一致的，故本申请执行如下步骤。
利用上一次霍尔检测计算得到的位置信号以及前三个连续的霍尔扇区的时间计数平均值进行线性插值得到当前霍尔检测计算得到的位置信号的补偿方式请参考下式(2)：
Figure BDA0002453743050000051
其中，θHall表示当前霍尔检测计算得到的位置信号，K是最近一次霍尔跳变发生的时间计数值，Tav3表示前3个连续的霍尔扇区的时间计数平均值，
Figure BDA0002453743050000052
Ti-k表示前第k+1个霍尔扇区的时间计数值，0≤k≤2。
相比利用前一个霍尔扇区平均速度的位置估计方法，本申请采用利用前三个霍尔扇区的平均速度进行插值的方法，在下一个霍尔扇区内补偿的位置能够更好的跟踪实际转子位置，补偿结果如图3所示。
按照前三个霍尔扇区计算平均速度的位置补偿方法虽然能在一定程度上减小估计偏差，但由霍尔偏差角度引起的估计偏差并没有完全消除。从图3可见，霍尔扇区Ⅰ和霍尔扇区Ⅳ的位置偏差由θHa造成；霍尔扇区Ⅱ和霍尔扇区Ⅴ的位置偏差由θHb造成；霍尔扇区Ⅲ和霍尔扇区Ⅵ的位置偏差由θHc造成。当偏差产生后，六个霍尔扇区所占电角度满足式(3)的关系：
Figure BDA0002453743050000053
其中，θI～θVI分别表示霍尔传感器检测到的每个霍尔扇区所占的电角度，这时的每个霍尔扇区不再是60°电角度。
霍尔传感器检测到的霍尔检测位置信号θHall可以表示成真实的位置信号θreal和偏差信号θerr的和：
θHall(ωet)＝θreal(ωet)+θerr(ωet) (4)
ωe表示电角速度参数，真实位置分量ωet从0～2π变化时，θreal从0～2π变化，对于其中的偏差信号θerr，结合图3和式(3)可以将偏差信号θerr简化为一个周期为电周期一半的分段函数。由于这里研究偏差信号的级数表达，在确定偏差信号的初始位置时，可以脱离原电角度的位置基准，以一个断点作为新坐标原点，偏差信号分段周期函数为：
Figure BDA0002453743050000054
其中，m＝1,2,3……。通过将式(5)分解成级数的形式，可表达为一个由直流分量和交流偶次分量组成的和式，交流偶次分量为一系列交流谐波。偏差信号θerr(ωet)的级数形式的表达式为：
Figure BDA0002453743050000061
其中θoffset为直流分量，直流分量的取值与三个霍尔传感器的霍尔偏差角度存在对应关系。
Figure BDA0002453743050000062
表示交流偶次分量，an和bn均为参数，n为参数。结合(3)、(5)和(6)式，并利用级数系数计算方法，得到由霍尔偏差角度表示的式(6)中的直流分量：
Figure BDA0002453743050000063
为了简化操作，可以直接确定
Figure BDA0002453743050000064
因此本申请将当前霍尔检测计算得到的位置信号θHall和位置信号估算值θes按照公式sinθHallcosθes-cosθHallsinθes计算得到角度的偏差信号，将所述偏差信号作为PI型锁相环的输入；其中，θHall表示当前霍尔检测计算得到的位置信号，θes表示位置信号估算值。并将PI型锁相环的输出作为位置信号估算值θes进行闭环反馈以得到准确的真实的位置信号。
同时，考虑到永磁同步电机在调速过程中偏差信号θerr的交流偶次分量的频率随转速变化，因此本申请中PI型锁相环的实时截止频率随着电机转速的变化不断调整，以达到较好的偶次谐波抑制效果。因此本申请还增加了PI参数自动调整方案，让PI环节对于宽转速范围有最优的锁相性能。考虑到电机启动过程中的加速较大，同时启动过程的基速小，要保证电机的正常启动，就要保证在启动过程中位置的跟随性能要快，本专利设计了如下式(8)所示的实时截止频率ωc的计算公式：
Figure BDA0002453743050000065
其中，
Figure BDA0002453743050000066
表示实时电角速度，ωth表示带宽下限，实时截止频率ωc的取值为实时电角速度或带宽下限。即通过限制锁相环的带宽下限ωth，牺牲转速门限以下的锁相准确性，保证电机的启动过程的锁相快速性。其中，实时电角速度
Figure BDA0002453743050000067
的计算公式为：
Figure BDA0002453743050000068
其中，Tav6表示前6个连续的霍尔扇区的时间计数平均值，
Figure BDA0002453743050000071
Ti-j表示前第j+1个霍尔扇区的时间计数值，0≤j≤5，Tb为控制器定时器的时基且单位为秒。
本申请中的PI型锁相环包括串联的陷波器和PI调节器，PI型锁相环根据不断调整的实时截止频率ωc滤除偏差信号θerr中的交流偶次分量，根据三个霍尔传感器的霍尔偏差角度按照式(7)计算得到θoffset滤除偏差信号θerr中的直流分量，其中霍尔偏差角度可以通过霍尔信号计算得到，具体的计算方法本申请不再详细展开说明。利用PI型锁相环的的调整直至偏差信号θerr达到0，从而可以计算得到真实的位置信号，根据PI型锁相环的输出再经过低通滤波等操作即能得到转子位置角度ωes，在750rpm-1500rpm加速中的位置和速度效果如图4所示。
在某实验系统中，当三个霍尔偏差角度θHa、θHb、θHc为+4.42°、-1.3°和-3.15°的情况下，分别对比不加任何补偿时霍尔传感器检测到的位置、采用平均速度补偿时和采用本专利的方法估计的转子位置，不加任何补偿的情况下，霍尔位置传感器检测到的是离散的6个电角度信号，不能得到完整的位置信息，如图5的结果表明，加入平均速度补偿的位置信号可以在每个“阶梯”中间补偿位置信息，但由霍尔位置安装偏差造成的位置波动依然无法消除，同时采用平均速度的补偿增大了位置估计误差。而采用本专利提出的N-PI PLL方法通过锁相的方法，能够估计出平稳的位置信号。
另外，本申请的方法具有更好的电流控制效果，图6通过对比采用传统单扇区转子位置估计和本申请的N-PI PLL方法的位置估计在电流控制中的效果可以看出，当实验在刻度0.3s从N-PI PLL方法切换到单扇区位置估计的方法后，电流控制效果变差。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变参数的霍尔传感器永磁同步电机转子位置确定方法，其特征在于，所述方法包括：
在永磁同步电机运行时，通过安装在转子周围的三个霍尔传感器获取三路霍尔信号，根据霍尔信号将转子一周分为六个霍尔扇区；
利用上一次霍尔检测计算得到的位置信号以及前三个连续的霍尔扇区的时间计数平均值进行线性插值得到当前霍尔检测计算得到的位置信号；
将当前霍尔检测计算得到的位置信号和位置信号估算值按照公式sinθHallcosθes-cosθHallsinθes计算得到角度的偏差信号，将所述偏差信号作为PI型锁相环的输入；其中，θHall表示当前霍尔检测计算得到的位置信号，θes表示位置信号估算值；
确定实时电角速度并根据所述实时电角速度和带宽下限确定所述PI锁相环的实时截止频率，所述PI型锁相环根据所述实时截止频率对所述偏差信号进行调节，并将所述PI型锁相环的输出作为所述位置信号估算值进行闭环反馈直至所述偏差信号达到0；
根据所述PI型锁相环的输出得到转子位置角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏差信号θerr(ωet)的表达式为：
Figure FDA0002453743040000011
其中θoffset为直流分量，所述直流分量的取值与三个霍尔传感器的霍尔偏差角度存在对应关系；
Figure FDA0002453743040000012
表示交流偶次分量，an和bn均为参数，n为参数，ωe表示电角速度参数；
则所述PI型锁相环包括串联的陷波器和PI调节器，所述PI型锁相环根据实时截止频率滤除所述偏差信号中的交流偶次分量，根据三个霍尔传感器的霍尔偏差角度滤除所述偏差信号中的直流分量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述偏差信号中的直流分量为
Figure FDA0002453743040000013
其中，θHa、θHb、θHc分别表示三个霍尔传感器的霍尔偏差角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述实时电角速度和带宽下限确定所述PI锁相环的实时截止频率，包括确定所述实时截止频率为所述实时电角速度或所述带宽下限，所述实时截止频率ωc的取值为：
Figure FDA0002453743040000021
其中，
Figure FDA0002453743040000022
表示所述实时电角速度，ωth表示所述带宽下限。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述实时电角速度包括确定所述实时电角速度为：
Figure FDA0002453743040000023
其中，
Figure FDA0002453743040000024
表示所述实时电角速度，Tav6表示前6个连续的霍尔扇区的时间计数平均值，
Figure FDA0002453743040000025
Ti-j表示前第j+1个霍尔扇区的时间计数值，0≤j≤5，Tb为控制器定时器的时基且单位为秒。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用上一次霍尔检测计算得到的位置信号以及前三个连续的霍尔扇区的时间计数平均值进行线性插值得到当前霍尔检测计算得到的位置信号，包括确定当前霍尔检测计算得到的位置信号为：
Figure FDA0002453743040000026
其中，θHall表示当前霍尔检测计算得到的位置信号，K是最近一次霍尔跳变发生的时间计数值，Tav3表示前3个连续的霍尔扇区的时间计数平均值，
Figure FDA0002453743040000027
Ti-k表示前第k+1个霍尔扇区的时间计数值，0≤k≤2。
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