CN112564573B - 基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法 - Google Patents

基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，电机技术领域，包括：分别获取预设时间范围内的三个霍尔传感器的数个开关量信息；根据开关量信息构造开关量状态排序表；通过缓慢匀速拖动永磁同步电机并注入高频脉振信号，实时计算转子角度位置信息；构造与转子角度位置信息所对应开关量状态排序表；通过比对霍尔输出的开关量状态排序表与构造的开关量状态排序表，计算角度点差值。根据平均角度点差值，对霍尔位置传感器输出信号翻转时间时刻进行补偿。有益效果为：可在电机零低速工况下，精确地获取转子位置信息，且脉振高频信号注入法可用于凸极率很小甚至隐极型的表贴式三项永磁同步电机转子位置的检测。

Description

基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的技术领域，具体涉及一种永磁基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法
背景技术
永磁同步电动机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动系统和直流电机的更新替代电机。
开关型霍尔传感器，其体积小、价格低，运行稳定，安装和维护较方便。锁定型开关霍尔传感器会根据磁场强度变化输出方波信号，方波中的上升、下降沿与磁场的过零点相对应，使得根据开关霍尔信号能定位转子运行区间及位置。
永磁同步电机有霍尔位置传感器启动方法众多，易于实现，永磁同步电机在起动工况下，对于转子位置信息要求精度高，如果霍尔位置传感器初始安装位置偏差程度过大，会造成永磁同步电机启动与运行颤振、噪声大，甚至无法正常运行。需要一种针对霍尔位置传感器初始安装位置偏差程度过大的补偿方法，使得电机能够在此工况下能正常运行。
发明内容
本发明提供了一种基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，以解决现有技术中永磁同步电机在霍尔位置传感器初始安装位置偏差程度过大工况下运行异常的问题。
本发明提供一种基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，可选地系统结构包括：电流调节器模块、反Park变换模块、SVPWM调制模块、三相逆变器、Park变换模块、Clark模块、PLL转子位置估算模块、低通滤波器、带通滤波器与速度调节器模块。所述电流调节器模块后注入高频信号，所述低通滤波器与PI调节器相连接，组成PLL子位置估算模块。
本发明提供了一种基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，包括：
步骤一：分别获取预设时间范围内的三个霍尔传感器的数个开关量信息，并对数个开关量信息进行编码，形成数个开关量信息编码；
步骤二：将数个开关量信息编码转换为开关状态排序表；
步骤三：缓慢匀速拖动永磁同步电机，注入高频脉振信号，实时计算转子角度位置信息。
步骤四：构造与所述步骤三中转子角度位置信息所对应的霍尔开关量信息与开关状态排序表。
步骤五：比对所述步骤二中的开关状态排序表与所述步骤四中的开关状态排序表，捕获第一次状态值发生差异的角度点，捕获该角度点后一时间区间内状态值恢复统一的角度点，计算角度点差值。在预设时间范围内重复上述过程，计算平均角度点差值。
步骤六：根据所述步骤五中得出的平均角度点差值，对霍尔位置传感器输出信号翻转时间时刻进行补偿，控制无刷直流电机正常运转；
可选地，预设时间范围为两个周期；其中，电气角度变化360°为一个周期。
可选地，所述步骤一中对m个开关量信息进行编码，形成m个开关量信息编码的具体方法如下：先将m个开关量信息按三相的固定顺序排列；再对三个霍尔传感器在同一时刻的三个开关量信息进行三位二进制编码，其中，三位二进制编码中每一位对应一个霍尔传感器的开关量信息。
可选地，所述步骤二中将m个开关量信息编码转换为开关量状态排序表具体方法为：
先将每个开关量信息编码转换成十进制数，再将数个开关量信息编码转换后的数个十进制数依照获取的时间顺序进行制表，形成开关状态排序表。
可选地，所示步骤三中的缓慢匀速拖动电机的速度最大值v＝n/2000，其中n为永磁同步电机的额定转速。
可选地，所述步骤三中注入高频脉振信号，具体方法如下：
通过Clarke变换与Park变换，将三相静止坐标系变换到两相dq同步旋转坐标系。
向估计两相
Figure BDA0002792687940000031
同步旋转坐标系的d轴上注入高频余弦电压信号为：
Figure BDA0002792687940000032
其中，
Figure BDA0002792687940000033
和
Figure BDA0002792687940000034
为注入
Figure BDA0002792687940000035
同步旋转坐标系中的高频电压。
可选地，所述步骤三中计算转子角度位置信息，具体方法如下：
通过检测永磁同步电机在注入高频脉振信号后所产生的
Figure BDA0002792687940000036
轴高频电流响应，对该电流响应进行幅值调制，经低通滤波器后得到基于PLL的转子位置估计法的输入信号，通过估算后可得到转子位置信息。
可选地，所述的步骤四中构造与所述步骤三中估算转子角度位置信息所对应的霍尔开关量信息方法如下：
根据霍尔传感器正确输出下的开关量信息所对应转子角度信息的关系，将步骤三中估算的转子角度位置信息换算为离散的霍尔传感器输出的开关量，将该开关量的二进制或十进制数值构造为估算开关量状态排序表。
可选地，所述的步骤五中比对所述步骤二中的开关量状态排序表与所述步骤四中的估算开关量状态排序表，捕获第一次开关量状态发生差异的角度点的方法如下：
所述的步骤四中构造的估算开关量状态排序表与所述步骤二中的开关量状态排序表在相同时刻tα进行状态值比较。即当估算开关量状态排序表在tα时刻状态值为Xα，当所述步骤二中的开关量状态排序表在tα时刻状态值为Xα′，若Xα≠Xα′,则捕获该时刻下估算的转子角度位置θα与霍尔输出的转子角度位置θα′。
可选地，所述的步骤五中捕获该角度点后开关量状态恢复统一的角度点的方法如下：
所述的步骤四中构造的估算开关量状态排序表与所述步骤二中的开关量状态排序表在相同时刻tα+Δt进行状态值比较。即当估算开关量状态排序表在tα+Δt时刻状态值为Xβ，当所述步骤二中的开关量状态排序表在tα+Δt时刻状态值为Xβ′，若Xβ＝Xβ′,则捕获该时刻下估算的转子角度位置θβ与霍尔输出的转子角度位置θβ′。
所述的步骤六中根据所述步骤五得出的平均角度点差值，构建成新开关状态排序表的具体方法如下：
根据所述步骤五得出的平均角度点差值
Figure BDA0002792687940000041
可得出霍尔位置传感器偏移的电角度量
Figure BDA0002792687940000042
霍尔位置传感器偏移的机械角度量：
Figure BDA0002792687940000043
根据电角度偏移量可通过采集永磁同步电机的运行速度v，构造开关状态排序表中状态值的切换顺序与切换时间信息，实现容错控制。
本发明的有益效果：
1、本发明技术方案中的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，系统结构简单，易于实现。利用高频脉振信号注入法与反馈信号解调，可在电机零低速工况下，精确地获取转子位置信息，且脉振高频信号注入法可用于凸极率很小甚至隐极型的表贴式三项永磁同步电机转子位置的检测。
2、通过高频脉振信号注入法获取的转子位置信息构造开关状态排序表，与霍尔信号输出开关信息构建的开关状态排序表比对，若发生状态值相异，即可检测出霍尔传感器的初始安装位置出现偏差，进一步可计算偏差角度，实现补偿策略，该系统提高了控制系统的适配性与稳定性，在霍尔传感器的初始安装位置出现偏差工况下仍然可以保障永磁同步电机正常运行，降低了霍尔传感器的初始安装位置偏差对控制系统产生的不良影响。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明中基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿的控制流程图；
图2为本发明中基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法的控制系统结构框图；
图3为本发明中理想霍尔位置传感器开关状态排序情况；
图4为本发明中静止坐标系、同步旋转坐标系与估计同步旋转坐标系关系图；
图5为本发明中基于PLL转子位置估计控制框图；
图6为本发明中霍尔位置传感器偏移后扇区检测结果与基于脉诊高频注入法的扇区估算结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，如图2所示，可选地系统结构包括高频信号注入单元、电机驱动单元、采样电流解耦单元、永磁同步电机单元、带通滤波器单元、本地载波单元、PLL转子位置估算单元与速度调节单元。
所述高频信号注入单元与所述电机驱动单元相连，用于向电机注入高频脉振信号；所述采样电流解耦单元与所述电机驱动单元相连，用于将采样电流进行坐标变换与解耦；所述电机驱动单元与所述永磁同步电机单元相连，用于驱动永磁同步电机运行；所述带通滤波器单元与所述采样电流解耦单元相连，用于提取交轴电流中含有转子位置信息的高频电流分量；所述本地载波注入单元与所述带通滤波器单元相连，用于注入同频信号便于解调；所述PLL转子位置估算单元与所述本地载波注入单元相连，用于解调含有转子位置信息的高频电流分量，估算转子位置；所述速度调节单元与所述PLL转子位置估算单元相连，用于调节电机转矩与转速。
本发明提供了一种基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿的控制算法，如图1所示，包括：
步骤S10：分别获取预设时间范围内的三个霍尔传感器的数个开关量信息，并对数个开关量信息进行编码，形成数个开关量信息编码；
在本实施例中，三相霍尔传感器按120°分布式安装，优先预设时间范围为两个周期；其中，电气角度变化360°为一个周期。
一个霍尔传感器的开关量状态只有两个，霍尔信号为低电平时对应的开关量状态为0，霍尔信号为高电平时对应的开关量状态为1。开关量信息是包含了三个霍尔传感器开关量状态，每一位对应一个霍尔传感器的开关量状态。霍尔传感器正常状态下，开关量状态信息编码有：001、010、011、100、101、110；
步骤S20：将数个开关量信息编码转换为开关状态排序表；
理想霍尔位置传感器输出如图3所示，将预设时间范围内采集到的霍尔传感器的所有开关量信息进行转换，开关量状态信息编码视作二进制数值，所有可能的情况在二进制编码形式的“000”至“111”之间，状态可以简化为6个十进制数值，根据实际需要进行简化替换。最后按照开关量信息出现的先后顺序，转化成开关状态排序表。例如：第一时刻三个霍尔传感器的开关量信息分别为1、0、1，进行二进制编码后为101，转化成十进制就位5，第二时刻三个霍尔传感器的开关量信息分别为1、1、0，进行二进制编码后为110，转化成十进制就位6，此时转化成开关状态排序表则为56。
步骤S30：缓慢匀速拖动永磁同步电机，注入高频脉振信号，实时计算转子角度位置信息；
优先预设缓慢匀速拖动电机的速度最大值：v＝n/2000，其中n为永磁同步电机的额定转速。注入高频脉振信号，具体方法如下：
如图4通过Clarke变换与Park变换，将三相静止坐标系变换到两相dq旋转坐标系，其中，dq坐标系为实际两相旋转坐标系，
Figure BDA0002792687940000071
坐标系为估计两相旋转坐标系。θ为实际转子位置，
Figure BDA0002792687940000072
为估计转子位置，Δθ为位置估计误差，三者关系如下式所示：
Figure BDA0002792687940000073
向估计两相
Figure BDA0002792687940000074
旋转坐标系的d轴上注入高频余弦电压信号：
Figure BDA0002792687940000075
其中，
Figure BDA0002792687940000076
和
Figure BDA0002792687940000077
为注入
Figure BDA0002792687940000078
旋转坐标系中的高频电压。
所述步骤S30中计算转子角度位置信息，具体方法如下：
首先，根据永磁同步电机模型可将永磁同步电机在高频信号激励下的模型等效为纯电感模型，其中，电压方程简化为：
Figure BDA0002792687940000079
式中，udh、uqh为电机dq轴上的高频电压分量，idh、iqh为电机dq轴上的高频电流分量，Ldh和Lqh为高频信号激励下的dq轴电感。
根据坐标变换关系又可得以下关系方程：
Figure BDA0002792687940000081
Figure BDA0002792687940000082
式中：
Figure BDA0002792687940000083
和
Figure BDA0002792687940000084
分别为估计旋转
Figure BDA0002792687940000085
坐标系下交直轴电压与电流分量。
其次，计算脉振高频电压信号激励下的估计
Figure BDA0002792687940000086
轴电流高频响应为：
Figure BDA0002792687940000087
将d轴上注入高频余弦电压信号代入上式可得：
Figure BDA0002792687940000091
因此，q轴上的高频电流响应值
Figure BDA0002792687940000092
如下所示：
Figure BDA0002792687940000093
最后，将该电流响应
Figure BDA0002792687940000094
与调制波sin(ωht)相乘，经过低通滤波器LPF处理，得到相应的信号送入PI调节器，则相应PI调节器输出为电机转子位置估计值
Figure BDA0002792687940000095
具体方法如下所示：
经低通滤波器后得到基于PLL转子位置估算系统的输入信号：
Figure BDA0002792687940000096
当转子位置估算误差足够小时，则可以把误差信号线性化，即：
Figure BDA0002792687940000097
其中：
Figure BDA0002792687940000098
如图5所示，为了获得电机的转子位置角θ，根据PI调节器的控制框图可知，LPF滤波器采用期望带宽为σ的一阶低通滤波器形式，其传递函数可表示为：
Figure BDA0002792687940000099
其中，PI调节器的传递函数采用如下形式：
Figure BDA0002792687940000101
其中：γP，γi分别为PI调节器的比例和积分增益，其闭环传递函数为：
Figure BDA0002792687940000102
为了便于整定PI调节器的参数，配置上式的3个极点都为δ＝-3α，PI调节器的参数可整定为：
Figure BDA0002792687940000103
因此，根据上述过程可得到S域下转子位置信息函数关系式，由此精确的估算出转子角度位置信息。
步骤S40：构造与所述步骤S30中转子角度位置信息所对应的霍尔开关量信息与开关量状态排序表。
同理于步骤S20，构造与估算转子角度位置信息所对应的霍尔开关量信息，将步骤S30中估算的转子角度位置信息换算为离散的霍尔传感器输出的开关量，将该开关量的二进制或十进制数值构造为估算开关量状态排序表。
步骤S50：比对所述步骤S20中的开关量状态排序表与所述步骤S40中的开关量状态排序表，捕获第一次开关量状态发生差异的角度点，捕获该角度点后一时间区间内开关量状态恢复统一的角度点，计算角度点差值。在预设时间范围内重复上述过程，计算平均角度点差值。
比对所述步骤二中的开关状态排序表与所述步骤四中的估算开关量状态排序表，捕获第一次开关量状态发生差异的角度点的方法如下：
所述的步骤S40中构造的估算开关量状态排序表与所述步骤S20中的开关量状态排序表在相同时刻tα进行状态值比较。即当估算开关量状态排序表在tα时刻状态值为Xα，当所述步骤二中的开关量状态排序表在tα时刻状态值为Xα′，若Xα≠Xα′,则捕获该时刻下估算的转子角度位置θα与霍尔输出的转子角度位置θα′。
捕获该角度点后开关状态恢复统一的角度点的方法如下：
所述的步骤S40中构造的估算开关量状态排序表与所述步骤二中的开关量状态排序表在相同时刻tα+Δt进行状态值比较。即当估算开关量状态排序表在tα+Δt时刻状态值为Xβ，当所述步骤二中的开关量状态排序表在tα+Δt时刻状态值为Xβ′，若Xβ＝Xβ′,则捕获该时刻下估算的转子角度位置θβ与霍尔输出的转子角度位置θβ′。
计算角度点差值θΔ的方程如下：
θΔ＝θβ-θα′
计算的平均角度点差值
Figure BDA0002792687940000111
的方程如下：
Figure BDA0002792687940000112
其中T为预设时间范围霍尔位置传感器输出的周期个数。
步骤S60：根据所述步骤五中得出的平均角度点差值，对霍尔位置传感器输出信号翻转时间时刻进行补偿，控制无刷直流电机正常运转。
如图6所示，根据所述步骤S50得出的平均角度点差值
Figure BDA0002792687940000121
可得出霍尔位置传感器偏移的电角度量
Figure BDA0002792687940000122
霍尔位置传感器偏移的机械角度量
Figure BDA0002792687940000123
其中，N为永磁同步电机的极对数。
根据电角度偏移量可通过采集tα+Δt区间内永磁同步电机的运行平均速度V，根据所述步骤S40中构造开关状态排序表中状态值的切换顺序，与计算出霍尔位置传感器输出信号翻转时间时刻
Figure BDA0002792687940000124
完成霍尔位置传感器安装位置的角度补偿。其中±的具体取法与电机运行方向与霍尔位置传感器的安装偏差方向有关。
例如，当电机顺时针运行，霍尔位置传感器中轴线安装偏差超前时，
Figure BDA0002792687940000125

Claims (9)

1.一种基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：分别获取预设时间范围内的三个霍尔传感器的数个开关量信息，并对数个开关量信息进行编码，形成数个开关量信息编码；
步骤二：将数个开关量信息编码转换为开关状态排序表；
步骤三：缓慢匀速拖动永磁同步电机，注入高频脉振信号，实时计算转子角度位置信息；
步骤四：构造与所述步骤三中转子角度位置信息所对应的霍尔开关量信息与开关状态排序表；
步骤五：比对所述步骤二中的开关状态排序表与所述步骤四中的开关量状态排序表，捕获第一次状态值发生差异的角度点，捕获该角度点后一时间区间内状态值恢复统一的角度点，计算角度点差值；在预设时间范围内重复上述过程，计算平均角度点差值；
步骤六：根据所述步骤五中得出的平均角度点差值，对霍尔位置传感器输出信号翻转时间时刻进行补偿，控制永磁同步电机正常运转。
2.根据权利要求1所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，预设时间范围为两个周期；其中，电气角度变化360°为一个周期；所述步骤一中对数个开关量信息进行编码，形成数个开关量信息编码的具体方法如下：
先将数个开关量信息按三相的固定顺序排列；再对三个霍尔传感器在同一时刻的三个开关量信息进行三位二进制编码，其中，三位二进制编码中每一位对应一个霍尔传感器的开关量信息。
3.根据权利要求1所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤三中的缓慢匀速拖动电机的速度最大值v＝n/2000，其中n为永磁同步电机的额定转速。
4.根据权利要求1所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤三中注入高频脉振信号，具体方法如下：
通过Clarke变换与Park变换，将三相静止坐标系变换到两相dq同步旋转坐标系；向估计两相
Figure FDA0003551257290000021
同步旋转坐标系的
Figure FDA0003551257290000022
轴上注入高频余弦电压信号为：
Figure FDA0003551257290000023
其中，
Figure FDA0003551257290000024
和
Figure FDA0003551257290000025
为注入
Figure FDA0003551257290000026
同步旋转坐标系中的高频电压。
5.根据权利要求4所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤三中计算转子角度位置信息，具体方法如下：通过检测永磁同步电机在注入高频脉振信号后所产生的
Figure FDA0003551257290000027
轴高频电流响应，对该电流响应进行幅值调制，经低通滤波器后得到基于PLL的转子位置估计法的输入信号，通过估算后可得到转子位置信息。
6.根据权利要求5所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，所述的步骤四中构造与所述步骤三中转子角度位置信息所对应的霍尔开关量信息与开关状态排序表的方法如下：
根据霍尔传感器正确输出下的开关量信息所对应转子角度信息的关系，将步骤三中估算的转子角度位置信息换算为离散的霍尔传感器输出的开关量，将该开关量的二进制或十进制数值构造为估算开关量状态排序表。
7.根据权利要求6所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤五中比对所述步骤二中的开关量状态排序表与所述步骤四中构造的估算开关量状态排序表，捕获第一次开关量状态发生差异的角度点的方法如下：
所述的步骤四中构造的估算开关量状态排序表与所述步骤二中的开关量状态排序表在相同时刻tα进行状态值比较；即当估算开关量状态排序表在tα时刻状态值为Xα，当所述步骤二中的开关量状态排序表在tα时刻状态值为Xα′，若Xα≠Xα′，则捕获该时刻下估算的转子角度位置θα与霍尔输出的转子角度位置θα′。
8.根据权利要求7所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，所述的步骤五中捕获该角度点后开关量状态恢复统一的角度点的方法如下：
所述的步骤四中构造的估算开关量状态排序表与所述步骤二中的开关量状态排序表在相同时刻tα+Δt进行状态值比较；即当估算开关量状态排序表在tα+Δt时刻状态值为Xβ，当所述步骤二中的开关量状态排序表在tα+Δt时刻状态值为Xβ′，若Xβ＝Xβ′，则捕获该时刻下估算的转子角度位置θβ与霍尔输出的转子角度位置θβ′。
9.如权利要求8所述的基于高频注入法的永磁同步电机霍尔安装偏差补偿方法，其特征在于，所述的步骤六中根据所述步骤五得出的平均角度点差值，对霍尔位置传感器输出信号翻转时间时刻进行补偿的方法如下：
根据所述步骤五得出的平均角度点差值
Figure FDA0003551257290000031
可得出霍尔位置传感器偏移的电角度量
Figure FDA0003551257290000032
霍尔位置传感器偏移的机械角度量：
Figure FDA0003551257290000033
根据电角度偏移量与通过采集永磁同步电机的运行速度v，重构开关量状态排序表中状态值的切换顺序与切换时间信息，实现信号的补偿跳变。
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