CN114640276A - 永磁同步电机转子位置和转速的检测方法、装置及系统 - Google Patents

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CN114640276A CN202210357763.6A CN202210357763A CN114640276A CN 114640276 A CN114640276 A CN 114640276A CN 202210357763 A CN202210357763 A CN 202210357763A CN 114640276 A CN114640276 A CN 114640276A
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张清林
李鸿怀
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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，具体公开了一种永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，其中，包括：实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号；计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度；计算得到当前时刻滤波转子电角度误差；根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度；根据当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度。本发明还公开了一种永磁同步电机转子位置和转速的检测装置及永磁同步电机控制系统。本发明提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法能够提高转子位置提取的快速性和精确性。

Description

永磁同步电机转子位置和转速的检测方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机转子位置和转速的检测方法、永磁同步电机转子位置和转速的检测装置及永磁同步电机控制系统。
背景技术
永磁同步电机具有功率密度大、效率高、结构紧凑和可靠性高等特点，在航天器、风力发电、家用电器和电动汽车等领域已得到广泛应用，为实现永磁同步电机的高性能控制，电机驱动系统必须实时精确获取转子位置和转速。目前，无位置传感器控制方案已有相当多的研究成果，但实现电机精确稳定控制仍须面临电机启动、极低速运行、大负载冲击等工况的诸多难点。在电动汽车等领域的现有技术中，通常是利用霍尔传感器来对电机转子位置和转速进行实时检测计算。
其中，线性霍尔传感器体积小、重量轻、成本低，且能适应恶劣的工作环境，因此利用线性霍尔传感器计算得到的转子位置具有较高精度。但由于逆变器非线性和转子磁通空间谐波的影响，霍尔传感器检测到的永磁磁链信号会产生5、7次谐波，进而导致转子位置估算误差中产生6次谐波脉动。
目前常见线性霍尔传感器解码位置和转速的方案主要包括公式法和锁相环法。公式法是将霍尔正余弦信号通过反正切计算获得转子位置，再对转子位置进行微分得到转速，该方法转子位置精度严重依赖于霍尔信号，霍尔信号发生畸变将增大电机转子位置和转速的谐波脉动，降低霍尔信号的解码精度。锁相环能够有效抑制转子位置谐波脉动，但电机加减速工况时，锁相环存在较大的相位延迟，动态响应较差，易造成较大位置估算误差，甚至可能导致失步，影响电机稳定运行；同时，随着转速升高，转子位置稳态误差也会随之增加。
因此，如何能够降低转子位置和转速谐波脉动的同时抑制电机转速动、稳态工况相位延迟的线性霍尔解码方案具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步电机转子位置和转速的检测方法、永磁同步电机转子位置和转速的检测装置及永磁同步电机控制系统，解决相关技术中存在的线性霍尔传感器解码位置和转速计算误差大的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，其中，包括：
实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号；
对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度；
根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差；
根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度；
根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度。
进一步地，对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度，包括：
将当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号均通过反正切运算器进行计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度。
进一步地，将当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号均通过反正切运算器进行计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度，包括：
根据当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号通过反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度；
根据当前时刻反正切转子电角度计算得到当前时刻反正切转子电角速度；
对所述当前时刻反正切转子电角速度进行低通滤波得到当前时刻滤波反正切转子电角速度。
进一步地，根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差，包括：
根据当前时刻反正切转子电角度和前一时刻锁相环转子电角度进行计算得到当前时刻转子电角度误差；
根据当前时刻转子电角度误差和前一时刻转子电角速度通过自适应滤波器计算得到当前时刻滤波转子电角度误差。
进一步地，根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度，包括：
根据当前时刻滤波转子电角度误差通过PI调节器计算得到当前时刻转子电角速度修正值；
根据当前时刻转子电角速度修正值和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度。
进一步地，根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度，包括：
根据当前时刻转子电角速度计算当前时刻锁相环转子电角度；
根据当前时刻锁相环转子电角度获得前一时刻锁相环转子电角度；
根据前一时刻锁相环转子电角度和当前时刻滤波转子电角度误差计算得到当前时刻转子电角度。
作为本发明的另一个方面，提供一种永磁同步电机转子位置和转速的检测装置，用于实现前文所述的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，其中，包括：
获取模块，用于实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号；
反正切计算模块，用于对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度；
鉴相滤波器计算模块，用于根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差；
环路滤波器计算模块，用于根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度；
压控振荡器计算模块，用于根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度。
作为本发明的另一个方面，提供一种永磁同步电机控制系统，其中，包括线性霍尔传感器和前文所述的永磁同步电机转子位置和转速的检测装置，所述永磁同步电机转子位置和转速的检测装置与所述线性霍尔传感器通信连接。
本发明提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，将反正切和锁相环计算的转子位置和转速相结合，并将加速度和转速引入自适应滤波算法，有效降低转子位置和转速谐波脉动的同时抑制转速动、稳态工况转子位置相位延迟，提高转子位置提取的快速性和精确性。本发明提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，可靠性高且鲁棒性强，满足电动汽车等永磁同步电机驱动领域对系统可靠性和效率的要求。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法的流程图。
图2为本发明提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测装置的原理框图。
图3为本发明提供的自适应滤波器原理框图。
图4为本发明提供的永磁同步电机控制系统的框图。
图5为转速动态工况下传统反正切霍尔解码方案的Simulink仿真图。
图6为转速动态工况下传统锁相环霍尔解码方案的Simulink仿真图。
图7为本发明提供的转速动态工况下优化锁相环霍尔解码方案的Simulink仿真图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，图1是根据本发明实施例提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法的流程图，如图1所示，包括：
S110、实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号；
在本发明实施例中，实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号Hk sin和余弦霍尔信号Hk cos，其中k表示k时刻。
S120、对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度；
在本发明实施例中，将当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号均通过反正切运算器进行计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度。
本发明实施例以当前时刻为时刻k为例进行说明。
具体地，根据当前时刻k的正弦霍尔信号Hk sin和余弦霍尔信号Hk cos通过反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度θk atan，具体计算公式为：
Figure BDA0003583642070000041
根据当前时刻反正切转子电角度θk atan计算得到当前时刻反正切转子电角速度ωk atan，具体计算公式为：
Figure BDA0003583642070000042
其中，θk-1 atan表示k-1时刻滤波反正切转子电角度，Ts表示采样周期。
对所述当前时刻反正切转子电角速度ωk atan进行低通滤波得到当前时刻滤波反正切转子电角速度ωk atanF。
应当理解的是，具体可以通过一阶低通滤波得到k时刻滤波反正切转子电角速度ωk atanF。
S130、根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差；
具体地，包括：
根据当前时刻反正切转子电角度
Figure BDA0003583642070000043
和前一时刻锁相环转子电角度θk-1 PLL进行计算得到当前时刻转子电角度误差Δθk，具体计算公式如下：
Figure BDA0003583642070000051
根据当前时刻转子电角度误差Δθk和前一时刻转子电角速度ωk-1通过自适应滤波器计算得到当前时刻滤波转子电角度误差Δθk F。
在本发明实施例中，自适应滤波器的传递函数G(s)的表达式如下：
Figure BDA0003583642070000052
其中，s表示积分算子，λ表示自适应滤波增益，ω'k-1表示前一时刻即k-1时刻转子电角速度滤波反馈值。
图3所示为自适应滤波器原理框图。
应当理解的是，k-1时刻转子电角速度滤波反馈值ω'k-1直接影响自适应滤波器的相位延迟，引入转速3次方可改善转速稳态工况下的自适应滤波器造成的相位延迟，引入加速度可改善转速动态工况下自适应滤波器造成的相位延迟。k-1时刻转子电角速度滤波反馈ω'k-1的计算公式为：
Figure BDA0003583642070000053
其中，γ1和γ2分别为转速3次方增益参数和加速度增益参数，
Figure BDA0003583642070000054
为k-1时刻滤波转子角加速度，ωn为额定转子电角速度。
k-1时刻滤波转子角加速度
Figure BDA0003583642070000055
是将k-1时刻转子电角速度ωk-1通过如下转子角加速度公式计算得到k-1时刻转子角加速度ak-1，再通过一阶低通滤波得到。转子角加速度计算公式为：
Figure BDA0003583642070000056
其中，ωk-2为k-2时刻转子电角速度。
S140、根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度；
在本发明实施例中，具体可以包括：
根据当前时刻滤波转子电角度误差Δθk F通过PI调节器计算得到当前时刻转子电角速度修正值Δωk，具体计算公式为：
Figure BDA0003583642070000057
其中，kp表示PI比例调节参数，ki表示PI积分调节参数。
根据当前时刻转子电角速度修正值Δωk和当前时刻滤波反正切转子电角速度ωk atanF进行计算得到当前时刻转子电角速度ωk，具体计算公式为：
Figure BDA0003583642070000058
S150、根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度。
在本发明实施例中，具体包括：
根据当前时刻转子电角速度ωk计算当前时刻锁相环转子电角度θk PLL，具体计算公式为：
Figure BDA0003583642070000062
根据当前时刻锁相环转子电角度θk PLL获得前一时刻锁相环转子电角度θk-1 PLL；
此处应当理解的是，具体可以通过将当前时刻锁相环转子电角度θk PLL通过延迟一个采样周期Ts后获得k-1时刻锁相环转子电角度θk-1 PLL。
根据前一时刻锁相环转子电角度θk-1 PLL和当前时刻滤波转子电角度误差Δθk F计算得到当前时刻转子电角度θk，具体计算公式为：
Figure BDA0003583642070000061
应当理解的是，通过上述计算得到当前时刻转子电角度，根据转子电角度即可确定转子位置，根据上述计算能得到当前时刻转子电角速度，即可确定转子转速。
综上，本发明实施例提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，将反正切和锁相环计算的转子位置和转速相结合，并将加速度和转速引入自适应滤波算法，有效降低转子位置和转速谐波脉动的同时抑制转速动、稳态工况转子位置相位延迟，提高转子位置提取的快速性和精确性。本发明提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，可靠性高且鲁棒性强，满足电动汽车等永磁同步电机驱动领域对系统可靠性和效率的要求。
作为本发明的另一实施例，提供一种永磁同步电机转子位置和转速的检测装置，用于实现前文所述的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，其中，包括：
获取模块，用于实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号；
反正切计算模块1，用于对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度；
鉴相滤波器计算模块2，用于根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差；
环路滤波器计算模块3，用于根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度；
压控振荡器计算模块4，用于根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度。
具体地，如图2所示，为永磁同步电机转子位置和转速的检测装置的原理框图，具体工作原理可以参照前文的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法的描述，此处不再赘述。
作为本发明的另一实施例，提供一种永磁同步电机控制系统，其中，包括线性霍尔传感器和前文所述的永磁同步电机转子位置和转速的检测装置，所述永磁同步电机转子位置和转速的检测装置与所述线性霍尔传感器通信连接。
根据图4所示控制系统框图搭建的永磁同步电机控制系统仿真模型。转速设置-900rpm启动运行，4s时转速设置为100rpm；负载设置为60Nm。在霍尔信号的传统反正切、传统锁相环和优化锁相环解码方案下，分别观测转速、转速误差和角度误差仿真数据，如图5-7所示。可以发现，相较于传统反正切方案，优化锁相环方案有效降低转速和转子位置谐波脉动；相较于传统锁相环方案，优化锁相环方案有效抑制转子位置在转速动、稳态工况的相位延迟。
综上，本发明提供的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法、装置及控制系统具有以下优点：
(1)将反正切和锁相环解码得到的转子位置误差滤波处理后引入锁相环转子位置相位补偿，抑制传统锁相环转子位置在转速动、稳态工况的相位延迟，极大提高转子位置提取的快速性和精确性；
(2)将反正切解码得到的转速引入锁相环进行转速前馈，解决传统锁相环跟踪速度慢的问题，提高系统的响应速度，降低PI调节器带宽；
(3)将转子位置误差进行自适应滤波处理，仅用一个滤波器即可消除由两路霍尔信号5、7次谐波产生的转子位置误差6次谐波脉动，无需对霍尔信号进行滤波处理，有效降低系统复杂度和计算负担；
(4)考虑自适应滤波频率选取对转速动、稳态工况下转子位置相位延迟的影响，将加速度和转速3次方引入自适应滤波算法，有效降低转速动、稳态工况下的转子位置相位延迟，提高系统动、稳态性能；
(5)相较于反正切开环解码，结合锁相环闭环反馈，有效降低系统对霍尔信号的依赖性和敏感度，削减转子位置和转速的谐波脉动。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，包括：
实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号；
对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度；
根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差；
根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度；
根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度，包括：
将当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号均通过反正切运算器进行计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，将当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号均通过反正切运算器进行计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度，包括：
根据当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号通过反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度；
根据当前时刻反正切转子电角度计算得到当前时刻反正切转子电角速度；
对所述当前时刻反正切转子电角速度进行低通滤波得到当前时刻滤波反正切转子电角速度。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差，包括：
根据当前时刻反正切转子电角度和前一时刻锁相环转子电角度进行计算得到当前时刻转子电角度误差；
根据当前时刻转子电角度误差和前一时刻转子电角速度通过自适应滤波器计算得到当前时刻滤波转子电角度误差。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度，包括：
根据当前时刻滤波转子电角度误差通过PI调节器计算得到当前时刻转子电角速度修正值；
根据当前时刻转子电角速度修正值和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度，包括：
根据当前时刻转子电角速度计算当前时刻锁相环转子电角度；
根据当前时刻锁相环转子电角度获得前一时刻锁相环转子电角度；
根据前一时刻锁相环转子电角度和当前时刻滤波转子电角度误差计算得到当前时刻转子电角度。
7.一种永磁同步电机转子位置和转速的检测装置，用于实现权利要求1至6中任意一项所述的永磁同步电机转子位置和转速的检测方法，其特征在于，包括：
获取模块，用于实时获取线性霍尔传感器的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号；
反正切计算模块，用于对当前时刻的正弦霍尔信号和余弦霍尔信号进行反正切计算得到当前时刻反正切转子电角度和当前时刻滤波反正切转子电角速度；
鉴相滤波器计算模块，用于根据当前时刻反正切转子电角度、前一时刻锁相环转子电角度和前一时刻转子电角速度计算得到当前时刻滤波转子电角度误差；
环路滤波器计算模块，用于根据当前时刻滤波转子电角度误差和当前时刻滤波反正切转子电角速度进行计算得到当前时刻转子电角速度；
压控振荡器计算模块，用于根据所述当前时刻转子电角速度和当前时刻滤波转子电角度误差进行计算得到当前时刻转子电角度。
8.一种永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括线性霍尔传感器和权利要求7所述的永磁同步电机转子位置和转速的检测装置，所述永磁同步电机转子位置和转速的检测装置与所述线性霍尔传感器通信连接。
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CN116232162B (zh) * 2023-04-26 2023-07-11 苏州元磁智控科技有限公司 一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法

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