CN111740672A - 基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，包括：首先选择三个线性霍尔元件分别安装在定子的三个槽口内，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与转子磁极表面相对；三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子的任意一个槽口内，第二线性霍尔元件沿逆时针方向与第一线性霍尔相差N个槽数，第三线性霍尔元件沿顺时针方向与第一线性霍尔同样相差N个槽数；N为整数且N≠ks/(2p)，其中，k为任意整数，s为定子的槽口数量，p为转子表面的永磁体对数。然后，根据三个线性霍尔元件的电压信号计算电机角度。本发明实现了高精度的角度检测，满足高性能永磁同步电机的测角测速需求。

Description

基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法和系统

技术领域

本发明涉及永磁式旋转电机的转子角度检测技术领域，尤其涉及一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法和系统。

背景技术

在对传统的三相交流永磁同步电机进行矢量控制时，需要提供精确的转子角度和旋转速度。普遍的方法是与转轴同轴连接一个外置的角度测量装置，通常是光电编码器、旋转变压器或者磁编码器。这种外置测量装置不可避免地占用了轴向空间，且易受电磁、振动、温度、湿度等外界环境影响。线性霍尔传感器由于体积小、灵敏度高等优点，常常将其安装于紧凑型设备(例如云台，油泵电机)内部，通过检测电机内部永磁体的漏磁场来估算转子位置。

现有的内置线性霍尔传感器位置检测系统按照线性霍尔安装的位置可分为两种：置于定子端部以检测转子轴向漏磁场；置于定子齿上以检测转子径向磁场。中国专利号CN108063523A公开的一种云台电机及其转子位置角检测方法与中国专利号CN108496300A公开的一种电机位置感测方式中，都采用一对线性霍尔传感器安装于永磁体轴向正下方以检测漏磁场。即使线性霍尔传感器的封装已经很小，将其置于定子端部依然需要占用电机额外的轴向空间。中国专利号CN103222167B公开的一种三相多态伺服电机中，一个线性霍尔与另一个开关霍尔均位于定子冲片的圆周面上，且两个霍尔元件之间的电角度为90°；中国专利号CN05811828B公开了一种基于线性霍尔传感器的飞轮转速控制方法，在飞轮直流无刷电机定子上空间120°对称分布安装三相线性霍尔传感器，以获得与飞轮气隙磁场强度成比例的三相模拟正弦信号。然而，为保证霍尔传感器空间分布角度为90°或120°，将不可避免地在定子的齿部开槽，这对电机的原有结构造成了破坏，改变了电机的主磁路分布，同时易受到电枢反应的影响，对电机性能产生不良后果。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法。

本发明提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，包括：

首先选择三个线性霍尔元件分别安装在定子的三个槽口内，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与转子磁极表面相对；三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子的任意一个槽口内，第二线性霍尔元件沿逆时针方向与第一线性霍尔相差N个槽数，第三线性霍尔元件沿顺时针方向与第一线性霍尔同样相差N个槽数；N为整数且N≠ks/(2p)，其中，k为任意整数，s为定子的槽口数量，p为转子表面的永磁体对数。

然后，根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机角度。

优选的，根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机角度的方法具体为：将三个线性霍尔元件的输出电压信号转换为数字信号后再进行线性组合，得到两相静止坐标系下的数字信号值；根据两相静止坐标系下的数字信号计算转子角度值和转子速度值。

优选的，对三个线性霍尔元件的输出电压信号转换后的数字信号进行线性组合的模型为:

其中，U_A为第一线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_B为第二线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_C为第三线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号；U_α是所述两相静止坐标系下的α方向分量；U_β是所述两相静止坐标系下的β方向分量；所述α方向滞后所述β方向90°电角度。U₀是所述两相静止坐标系下的零轴分量。

优选的，适用于外转子永磁同步电机和内转子永磁同步电机。

一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，包括：第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件和数字信号处理器；

第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件分别安装在定子的三个槽口内，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与转子磁极表面相对；

三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子的任意一个槽口内，第二线性霍尔元件沿逆时针方向与第一线性霍尔相差N个槽数，第三线性霍尔元件沿顺时针方向与第一线性霍尔同样相差N个槽数；N为整数且N≠ks/(2p)，其中，k为任意整数，s为定子的槽口数量，p为转子表面的永磁体对数；

数字信号处理器分别连接第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件，用于根据第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号计算转子角度值和转子速度值。

优选的，数字信号处理器用于将第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号转换为两相静止坐标系下的数字信号后通过同步参考系锁相环计算转子角度值和转子速度值。

优选的，数字信号处理器用于根据预设的模型将第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号转换为两相静止坐标系下的数字信号，模型为：

其中，U_A为第一线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_B为第二线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_C为第三线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号；U_α是所述两相静止坐标系下的α方向分量；U_β是所述两相静止坐标系下的β方向分量；所述α方向滞后所述β方向90°电角度。U₀是所述两相静止坐标系下的零轴分量。

优选的，同步参考系锁相环包括：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；

鉴相器的输入端用于输入两相静止坐标系下的U_α和U_β，鉴相器的输入端还连接压控振荡器的输出端，环路滤波器的输入端连接鉴相器的输出端，压控振荡器的输入端连接环路滤波器的输出端。

鉴相器用于对两相静止坐标系下的数字信号和压控振荡器的输出信号进行2s/2r变换，将两相静止坐标系下的数字信号转换为两相旋转坐标系下的数字信号。

优选的，永磁同步电机为外转子永磁同步电机或者内转子永磁同步电机。

本发明提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，通过三个线性霍尔元件共同作用，检测出电机内部永磁体在定子槽口处的漏磁场；然后通过三个线性霍尔元件输出电压信号转化后的数字信号的线性组合，获得转子角度值和转速值。本发明提供的角度测量方案可满足任意极槽配合形式的永磁同步电机，可同时满足内转子和外转子永磁同步电机的应用。

本发明提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，三个线性霍尔元件输出电压信号连接至数字信号处理器，并转化为数字信号后，利用简单的线性组合与同步参考系锁相环估测转子角度值和转速值。系统工作过程中，仅包括线性组合、2s/2r变换和闭环计算，对于数字信号处理器而言，运算量少，效率高。

本发明中，三个线性霍尔元件的选择和安装限制少，有益于霍尔元件的安装与信号线安装。且实现了高精度的角度检测，满足高性能永磁同步电机的测角测速需求。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法；

图2为本发明实施例提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统模块连接图；

图3为本发明实施例提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统中信号变换示意图；

图4为本发明实例中内转子永磁同步电机结构示意图；

图5为本发明实施实例中外转子永磁同步电机结构示意图；

图6为本发明实施实例中三个线性霍尔元件输出电压信号的波形图及其对应的转子角度估测值、速度估测值。

图示：9槽8极内转子永磁同步电机1、数字信号处理器2、第一线性霍尔元件3、第二线性霍尔元件4、第三线性霍尔元件5、转子6、定子7、转动轴8、永磁体9、槽口10；鉴相器12、环路滤波器13，压控振荡器14；外转子永磁同步电机11。

具体实施方式

参照图1，本发明提出的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，适用于外转子永磁同步电机和内转子永磁同步电机。

本实施方式中，首先，选择三个线性霍尔元件分别安装在定子的三个槽口内，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与转子磁极表面相对；三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子的任意一个槽口内，第二线性霍尔元件沿逆时针方向与第一线性霍尔相差N个槽数，第三线性霍尔元件沿顺时针方向与第一线性霍尔同样相差N个槽数；N为整数且N≠ks/(2p)，其中，k为任意整数，s为定子的槽口数量，p为转子表面的永磁体对数。

然后，根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机角度。

具体的，对三个线性霍尔元件的输出电压信号进行计算时，首先将信号进行模数转换，获得数字信号。假设以逆时针方向为正向，当转子正向匀速旋转时，第一线性霍尔元件和第二线性霍尔元件输出电压信号的电角度相位差为：

第一线性霍尔元件和第三线性霍尔元件输出电压信号的电角度相位差为：

则：

其中：U_A为第一线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_B为第二线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_C为第三线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号；U_m是三个线性霍尔元件输出电压信号的幅值，由于三个线性霍尔元件距离位于同一圆周上，所以幅值相等；U_DC是三个线性霍尔元件输出电压信号的直流分量，由所采用的线性霍尔元件决定；θ是所述转子的实际电角度；

且k是任意整数。

根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机角度的方式具体包括以下步骤。

第一步：对三个线性霍尔元件的输出电压信号转换为数字信号后再进行线性组合，得到两相静止坐标系下的数字信号值。

具体的，对三个线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后获得的数字信号U_A、U_B和U_C进行线性组合的模型为：

其中，U_α是所述两相静止坐标系下的α方向分量；U_β是所述两相静止坐标系下的β方向分量；所述α方向滞后所述β方向90°电角度。U₀是所述两相静止坐标系下的零轴分量。

第二步：根据两相静止坐标系下的数字信号计算转子角度值和转子速度值。

参照图3，本发明还提出了一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，包括：第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件和数字信号处理器。

第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件分别安装在定子的三个槽口内，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与转子磁极表面相对。

三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子的任意一个槽口内，第二线性霍尔元件沿逆时针方向与第一线性霍尔相差N个槽数，第三线性霍尔元件沿顺时针方向与第一线性霍尔同样相差N个槽数；N为整数且N≠ks/(2p)，其中，k为任意整数，s为定子的槽口数量，p为转子表面的永磁体对数。数字信号处理器分别连接第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件，用于根据第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号计算转子角度值和转子速度值。

具体的，数字信号处理器用于将第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号转换为两相静止坐标系下的数字信号后通过同步参考系锁相环计算转子角度值和转子速度值。数字信号处理器将第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号转换为两相静止坐标系下的数字信号的模型为：

其中，U_A为第一线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_B为第二线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_C为第三线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号；U_α是所述两相静止坐标系下的α方向分量；U_β是所述两相静止坐标系下的β方向分量；所述α方向滞后所述β方向90°电角度。U₀是所述两相静止坐标系下的零轴分量。

具体的，本实施方式中，同步参考系锁相环包括：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。

鉴相器的输入端用于输入两相静止坐标系下的U_α和U_β，鉴相器的输入端还连接压控振荡器的输出端，环路滤波器的输入端连接鉴相器的输出端，压控振荡器的输入端连接环路滤波器的输出端。即，鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成闭环。

鉴相器用于对两相静止坐标系下的数字信号和压控振荡器的输出信号进行2s/2r变换，将两相静止坐标系下的数字信号转换为两相旋转坐标系下的数字信号。具体的，鉴相器以矩阵形式表示为：

其中：

是两相旋转坐标系下的d方向分量，d方向与所述转子直轴方向一致；

是两相旋转坐标系下的q方向分量，且是鉴相器的输出信号，q方向与所述转子交轴方向一致且超前所述d方向电角度90°；

是所述两相旋转坐标系下的零轴分量；S是2s/2r变换；

是压控振荡器的输出信号，且是转子的电角度估测值。

本实施方式中，永磁同步电机为外转子永磁同步电机或者内转子永磁同步电机。

以下结合具体的实施例对本发明做进一步解释。

实施例1

如图4所示，本实施例提供的一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法和系统应用于9槽8极内转子永磁同步电机1。

本实施例中，基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统包括：三个线性霍尔元件、数字信号处理器2。三个线性霍尔元件分别为：第一线性霍尔元件3、第二线性霍尔元件4和第三线性霍尔元件5。内转子永磁同步电机如图4所示，包括转子6、定子7。转子置有转动轴8，四对永磁体9安置于转子表面。匀速转动时，永磁体的充磁方式使定子槽口处的空载气隙磁通密度波形为近似正弦分布。定子包括九个槽口10，且槽口宽度至少为4.5mm，可以容纳SIP-3封装的线性霍尔元件。第一线性霍尔元件3安装于定子7的任意一个槽口，第二线性霍尔元件4安装于定子7的槽口，且沿逆时针方向与第一线性霍尔元件3相差7个槽数，第三线性霍尔元件5安装于定子的槽口，且沿顺时针方向与第一线性霍尔相差7个槽数，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与所述转子磁极表面相对。

以逆时针方向为正向，当转子正向匀速旋转时：第一线性霍尔元件3和第二线性霍尔元件4输出电压信号的电角度相位差

第一线性霍尔元件3和第三线性霍尔元件5输出电压信号的电角度相位差

在数字信号处理器内将三个线性霍尔元件的输出电压信号转化为三相原始数字信号：

其中：U_A是第一线性霍尔元件的输出电压信号转换后的原始数字信号；U_B是第二线性霍尔元件的输出电压信号转换后的原始数字信号；U_C是第三线性霍尔元件的输出电压信号转换后的原始数字信号；U_m是三个线性霍尔元件输出电压信号的幅值；U_DC是三个线性霍尔元件输出电压信号的直流分量；θ是转子的实际电角度；

而后，三个线性霍尔元件的输出电压信号分别连接至数字信号处理器2，数字信号处理器2的供电电压为3.3伏特。

数字信号处理器2对三个线性霍尔元件的输出电压信号进行线性组合，得到两相静止坐标系下的数字信号值。

其中：

其中，U_α是两相静止坐标系下的α方向分量；U_β是两相静止坐标系下的β方向分量；α方向滞后β方向90°电角度。U₀是两相静止坐标系下的零轴分量。相位差

符合

且k是任意整数的条件，上述线性组合成立。

如图3所示，本实施例中，利用同步参考系锁相环，从两相静止坐标系下的数字信号中提取转子位置值和转子速度值；同步参考系锁相环包括：鉴相器12，环路滤波器13，压控振荡器14；鉴相器12是以两相静止坐标系下的数字信号和压控振荡器14的输出信号为输入信号的2s/2r变换；2s/2r变换是将两相静止坐标系下的数字信号转换到两相旋转坐标系下的数字信号的过程；鉴相器12的输出作为环路滤波器13的输入；环路滤波器13的输出

作为压控振荡器14的输入，且是转子速度的估测值；鉴相器12，环路滤波器13和压控振荡器14构成闭环。

鉴相器12以矩阵形式表示为：

其中：

是两相旋转坐标系下的d方向分量，d方向与转子直轴方向一致；

是两相旋转坐标系下的q方向分量，且是鉴相器12的输出信号，q方向与转子交轴方向一致且超前d方向90°；

是两相旋转坐标系下的零轴分量；S是2s/2r变换；

是压控振荡器14的输出信号，且是转子的电角度。

综合图3和上式得出如下结论：

1)

由负反馈系统调节为0，即

收敛到0，即代表估计的角度值对实际角度值的跟随；

2)当

接近于0时，

呈线性表现，即

3)当

接近0时，

接近1，得出

即

表示三相霍尔元件信号的幅度；

4)

代表三个霍尔元件电压信号的直流分量。

环路滤波器13采用传统的PI控制器，为满足系统的快速性能，比例系数K_p＝150和积分系数K_i＝5000。

压控振荡器14采用积分模块。

如图6所示给出了设定转速为1000r/min时，三个线性霍尔元件输出的信号、转子角度估测值以及速度估测值。可以看到本发明实现了高精度的角度检测，满足高性能永磁同步电机的测角测速需求。

以上实施例仅基于内转子永磁同步电机，在图1中以外转子永磁同步电机11代替内转子永磁同步电机1，亦满足本发明内容，具体可参考图5。

以上所述，仅为本发明涉及的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，其特征在于，包括：

首先选择三个线性霍尔元件分别安装在定子的三个槽口内，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与转子磁极表面相对；三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子的任意一个槽口内，第二线性霍尔元件沿逆时针方向与第一线性霍尔相差N个槽数，第三线性霍尔元件沿顺时针方向与第一线性霍尔同样相差N个槽数；N为整数且N≠ks/(2p)，其中，k为任意整数，s为定子的槽口数量，p为转子表面的永磁体对数。

然后，根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机角度。

2.如权利要求1所述的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，其特征在于，根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机角度的方法具体为：将三个线性霍尔元件的输出电压信号转换为数字信号后再进行线性组合，得到两相静止坐标系下的数字信号值；根据两相静止坐标系下的数字信号计算转子角度值和转子速度值。

3.如权利要求3所述的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，其特征在于，对三个线性霍尔元件的输出电压信号转换后的数字信号进行线性组合的模型为:

其中，U_A为第一线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_B为第二线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_C为第三线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号；U_α是所述两相静止坐标系下的α方向分量；U_β是所述两相静止坐标系下的β方向分量；所述α方向滞后所述β方向90°电角度。U₀是所述两相静止坐标系下的零轴分量。

4.如权利要求1或2或3所述的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测方法，其特征在于，适用于外转子永磁同步电机和内转子永磁同步电机。

5.一种基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，其特征在于，包括：第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件和数字信号处理器；

第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件分别安装在定子的三个槽口内，三个线性霍尔元件的磁敏感面均与转子磁极表面相对；

三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子的任意一个槽口内，第二线性霍尔元件沿逆时针方向与第一线性霍尔相差N个槽数，第三线性霍尔元件沿顺时针方向与第一线性霍尔同样相差N个槽数；N为整数且N≠ks/(2p)，其中，k为任意整数，s为定子的槽口数量，p为转子表面的永磁体对数；

数字信号处理器分别连接第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件，用于根据第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号计算转子角度值和转子速度值。

6.如权利要求4所述的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，其特征在于，数字信号处理器用于将第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号转换为两相静止坐标系下的数字信号后通过同步参考系锁相环计算转子角度值和转子速度值。

7.如权利要求6所述的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，其特征在于，数字信号处理器用于根据预设的模型将第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件和第三线性霍尔元件的输出电压信号转换为两相静止坐标系下的数字信号，模型为：

其中，U_A为第一线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_B为第二线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号，U_C为第三线性霍尔元件的输出电压信号经模数转换后的数字信号；U_α是所述两相静止坐标系下的α方向分量；U_β是所述两相静止坐标系下的β方向分量；所述α方向滞后所述β方向90°电角度。U₀是所述两相静止坐标系下的零轴分量。

8.如权利要求7所述的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，其特征在于，同步参考系锁相环包括：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；

鉴相器的输入端用于输入两相静止坐标系下的U_α和U_β，鉴相器的输入端还连接压控振荡器的输出端，环路滤波器的输入端连接鉴相器的输出端，压控振荡器的输入端连接环路滤波器的输出端。

鉴相器用于对两相静止坐标系下的数字信号和压控振荡器的输出信号进行2s/2r变换，将两相静止坐标系下的数字信号转换为两相旋转坐标系下的数字信号。

9.如权利要求5至8任一项所述的基于线性霍尔传感器的永磁同步电机角度检测系统，其特征在于，永磁同步电机为外转子永磁同步电机或者内转子永磁同步电机。

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