CN114826074A - 基于霍尔传感器的永磁同步电机速度和电角度的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍尔传感器的永磁同步电机转子电角速度和电角度的获取方法，为永磁同步电机转子磁场定向控制系统提供全速范围内准确的电角速度反馈及电角度，采用速度、电流双闭环的控制方式，启动时通过M测速法进行电角速度反馈，待速度高于测速模式切换上限阀值时通过T测速法获得电角速度，保证电机全速范围内的速度闭环要求；低速及启动时采用方波驱动模式，中高速后转为正弦波驱动控制，保证了启动时的大转矩以及中高速下的转矩平稳性；上述复合型测速方式可以保证永磁同步电机低速大转矩启动，防止因霍尔元件安装位置不准造成的测速误差。

Description

基于霍尔传感器的永磁同步电机速度和电角度的获取方法

技术领域

本发明涉及霍尔信号反馈的永磁同步电机转子磁场定向控制技术领域，尤其是涉及一种基于霍尔传感器的永磁同步电机转子电角速度和电角度的获取方法。

背景技术

永磁同步电机为实现其正弦波驱动控制需要连续的转子电角度，通常采用的机械式位置传感器，虽然可以提供高精度的转子电角度，但需要轴端安装且无法应用于恶劣的工作环境下，因此限制了永磁同步电机的应用场合。近年来受到广泛关注的无位置传感器技术，虽取消了机械位置传感器，但存在控制算法复杂，无法实现低速大转矩启动等问题。为解决永磁同步电机采用机械式位置传感器技术或无位置传感器技术存在的上述问题，工程应用中通常采用低成本的霍尔位置传感器，通过位置估算法获得高分辨率的转子电角度，以实现正弦波驱动控制调节永磁同步电机的转子电角速度使其转矩脉动最小化。

其中，采用霍尔传感器作为速度反馈的永磁同步电机转子磁场定向控制方案，不仅能使永磁同步电机在大转矩下实现平稳启动，而且也解决了由方波控制带来的噪音问题,这里的速度与发明名称中的速度相同是指转子的电角速度。该控制方式通过坐标变换将电机定子电流分解为励磁电流和转矩电流，能够大幅提高系统控制的精准性。但是转子磁场定向控制需要精准的电角度及电角速度反馈信号，对于霍尔元件作为反馈的调速系统来说，其电角速度信号的分辨率较低，特别是低速时，因此如何在全速范围内获得准确的电角速度反馈及电角度将尤为关键。

常规速度反馈方案都是通过每隔60°跳变区间进行速度测量，但受霍尔元件安装工艺及元件一致性的影响，通常情况下并不能保证每个跳变区间都是60°，误差率较大时可达20％，这将严重影响速度测量的准确性，进而影响电角度的细分，会在驱动系统中造成较大的转矩脉动。另外在重载启动，转子位置刚好处于60°跳变区间的边沿时会由于跳变区间的切换而造成电角度的抖动，严重时造成启动失败，亟待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于霍尔传感器的永磁同步电机转子电角速度和电角度的获取方法，为永磁同步电机转子磁场定向控制系统提供全速范围内准确的电角速度反馈及电角度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于霍尔传感器的永磁同步电机速度和电角度的获取方法，永磁同步电机速度的控制器采用数字信号处理器，三相霍尔信号A/B/C通过逻辑电路异或后输出一路信号连接控制器的捕获引脚，控制器内设有捕获单元在该信号上升沿和下降沿分别触发进入捕获中断，三相霍尔信号A/B/C输出连接数字输入IO口；三相霍尔信号A/B/C连接数字输入IO；控制器内设置有定时中断进行电角度、电角速度、电流闭环控制；

控制器上电完成参数初始化，设置捕获中断标志位Cap_flag＝0，Cap_flag＝0表示已经处理过捕获中断的电角度值，Cap_flag＝1表示还未处理过捕获中断的电角度值；速度标志位Spd_flag＝0，Spd_flag＝0表示转子电角速度处于低速，Spd_flag＝1表示转子电角速度处于中高速；驱动标志位Angle_flag＝0，Angle_flag＝0表示方波驱动，Angle_flag＝1表示正弦波驱动；设置数据寄存器T_t1＝T_t2＝T_t3＝C₁，其中C₁为常数，累计脉冲寄存器sum＝0，跳变区间内由角加速度累计后的电角速度值

用于速度环调节器的反馈电角速度值ω_r＝0，用T测速法获得的当前电角速度ω_tn＝0，上个跳变区间用T测速法获得的当前电角速度ω_{tn_old}＝0，用M测速法获得的电角速度ω_mn＝0，测速模式切换上限阀值ω_s1＝0.02ω_rate～0.05ω_rate、测速模式切换下限阀值ω_s0＝0.01ω_rate～0.04ω_rate、驱动模式切换上限阀值ω_a1＝0.02ω_rate～0.05ω_rate、驱动模式切换下限阀值ω_a0＝0.01ω_rate～0.04ω_rate，ω_rate为永磁同步电机的额定角频率，角加速度值α_n＝0，M测速周期值T_m＝24ms；设置每个60°跳变区间的方波驱动电角度θ_nz(n＝1～6)，每个跳变区间正弦波驱动电角度初值θ_nx和θ_ny，θ_nx表示正转时三相霍尔信号A/B/C序列编号为n的电角度初值，θ_ny表示反转时三相霍尔信号A/B/C序列编号为n的电角度初值，n＝1～6为三相霍尔信号A/B/C的序列编号；读取初始三相霍尔信号A/B/C的序列编号并存入序列脉冲新寄存器Num_new和序列脉冲旧寄存器Num_old，根据三相霍尔信号A/B/C的序列编号n选择相应的θ_nz值并设入电角度θ_rel作为启动时电角度使用，并根据Num_new值设置跳变区间内最大电角度θ_max和跳变区间内最小电角度θ_min；开启捕获中断和定时中断；

进入捕获中断时，捕获中断的具体步骤为：

(a1)赋值T_t3＝T_t2，T_t2＝T_t1，读取三相霍尔信号A/B/C的IO信号，将获得的序列编号放入序列脉冲新寄存器Num_new，读取捕获计数寄存器并存入T_t1寄存器，设置捕获标志位Cap_flag为1；

(a2)根据预定序列编码，比较Num_new值与Num_old值，如果判定转子是正转则T_t1不变，累计脉冲寄存器sum加一；如果判定转子是反转则T_t1取反，累计脉冲寄存器sum减一；用公式

计算获得ω_tn，用公式

计算获得α_n；

(a3)根据Num_new值设置跳变区间内最大电角度θ_max和跳变区间内最小电角度θ_min；

(a4)设置Num_old＝Num_new，ω_{tn_old}＝ω_tn，

退出捕获中断；

进入定时中断时，定时中断的具体步骤如下，

(b1)判断Angle_flag是否为0，Angle_flag为0则跳到步骤(b3)，Angle_flag为1则判断Cap_flag标志是否为0，Cap_flag为0则跳到步骤(b4)，Cap_flag为1进入步骤(b2)；

(b2)设置Cap_flag为0，根据转子的转向，对跳变区间初始电角度θ_n0进行θ_nx或θ_ny赋值，然后跳到步骤(b4)；

(b3)根据Num_new值，将相应的预置θ_nz值设入电角度θ_rel，然后跳到步骤(b6)；

(b4)根据电角度细分公式

计算当前电角度θ_np；其中，ω_np表示n跳变区间内的瞬时电角速度，

α_nf表示α_n经过低通滤波器处理后的角加速度值，T_s为控制系统的运算周期，k表示跳变区间内经历的运算周期数；

(b5)比较当前电角度θ_np与跳变区间内最大电角度θ_max、跳变区间内最小电角度θ_min的关系，当θ_np大于θ_max时，设置θ_np＝θ_max，当θ_np小于θ_min时，设置θ_np＝θ_min，保证θ_min≤θ_np≤θ_max，然后将θ_np值设入电角度θ_rel；

(b6)计算电角度θ_rel的正余弦值，用于矢量变换；

(b7)判断当前计数周期是否达到M测速周期T_m，如时间未到则跳到步骤(b10)，如果已经达到M测速周期T_m，则根据公式

计算出ω_mn，进入步骤(b8)；其中，sum_m表示当前测速周期获得脉冲累计值，sum_m-1表示上一测速周期获得脉冲累计值，P_n表示永磁同步电机极对数；

(b8)判断ω_mn是否大于驱动模式切换上限阀值ω_a1，如果大于则Angle_flag设置为1，然后跳到步骤(b9)；如果ω_mn小于驱动模式切换上限阀值ω_a1，继续判断当前ω_mn是否小于驱动模式切换下限阀值ω_a0，小于则设置Angle_flag为0后进入步骤(b9)，大于则进入步骤(b9)；

(b9)判断ω_mn是否大于测速模式切换上限阀值ω_s1，如果大于则Spd_flag设置为1，然后跳到步骤(b10)；如果ω_mn小于测速模式切换上限阀值ω_s1，继续判断ω_mn是否小于测速模式切换下限阀值ω_s0，小于ω_s0则设置Spd_flag为0后进入步骤(b10)，大于ω_s0则进入步骤(b10)；

(b10)判断标志Spd_flag是否为0，为0将ω_mn设入ω_r，为1则将ω_tn设入ω_r；

(b11)角加速度值α_n经低通滤波器获得α_nf；

(b12)经速度环、电流环、PI控制器及空间矢量PWM调制，最后输出占空比控制三相逆变电路，退出定时中断。

与现有技术相比，本发明的优点在于在基于霍尔传感器反馈的永磁同步电机转子磁场定向控制系统中，采用速度、电流双闭环的控制方式，启动时通过M测速法进行电角速度反馈，待速度高于测速模式切换上限阀值时通过T测速法获得电角速度，保证电机全速范围内的速度闭环要求；低速及启动时采用方波驱动模式，中高速后转为正弦波驱动控制，保证了启动时的大转矩以及中高速下的转矩平稳性；上述复合型测速方式可以保证永磁同步电机低速大转矩启动，防止因霍尔元件安装位置不准造成的测速误差。

附图说明

图1为永磁同步电机的转子磁场定向控制框图。

图2为三相霍尔信号A/B/C及序列编号和经逻辑异或后输出信号的示意图。

图3为霍尔信号反馈电角速度及电角度的原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本优选实施例为一种基于霍尔传感器的永磁同步电机转子电角速度和电角度的获取方法，用于向转子磁场定向控制(Rotor Field Oriental Control，RFOC)提供全速范围内准确的电角速度反馈及电角度。

这里，转子磁场定向控制是通过控制变频器输出电压的幅值和频率来控制三相交流电机的一种变频驱动控制方法。通过测量永磁同步电机的定子电流，通过坐标变换，将三相静止坐标系转化为两相旋转的坐标系，从而使三相交流耦合的定子电流转换为互相正交，独立解耦的转矩与励磁分量，以达到类似于直流电动机通过控制转矩电流直接控制转矩的目的，能够大幅提高系统控制的精准性。

整个控制系统采用速度、电流双闭环的策略，其中速度环输出作为转矩电流给定，励磁电流根据实际情况设置。反馈电流经过坐标变换后转化为两相旋转坐标系上的电流i_ds和i_qs经电流环调节后通过空间矢量发生器(SVPWM)输出电压信号，从而可以调节转矩T_e和实现弱磁控制。

转子磁场定向控制中需要测量的量为：定子电流、转子电角速度、转子电角度，其中定子电流通过电流传感器获得，转子电角速度和转子电角度由霍尔元件作为反馈单元输出的信号反馈获得。

对照图1，简要介绍下转子磁场定向控制具体的步骤：

(1)将电流采样模块获得的相电流i_a和i_b，经Clarke变换将其从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系i_α和i_β；

(2)i_α和i_β与转子电角度θ_rel结合，经过Park变换从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系i_ds和i_qs；

(3)转子速度/位置反馈模块将测量的转子电角速度ω_r与参考电角速度ω_r ^*进行运算，并通过PI控制器产生交轴参考电流i_qs ^*；

(4)交轴参考电流i_qs ^*和直轴参考电流i_ds ^*与实际反馈的交轴电流i_qs和直轴电流i_ds进行比较(取直轴参考电流i_ds ^*为0)，再经过PI控制器，转化为电压ν_qs和ν_ds。

(5)电压ν_qs和ν_ds与检测到的转子电角度θ_rel相结合进行反Park变换，变换为两相静止坐标系的电压ν_α和ν_β；

(6)电压ν_α和ν_β经过空间矢量调制(SVPWM)模块调制为六路开关信号从而控制三相逆变器的开通和关断。

控制系统中使用的变换公式如下：

1)克拉克变换(CLARKE)

这里C相电流通过i_c＝-i_a-i_b获得，克拉克反变换为：

2)帕克变换(PARK)

帕克反变换为：

上述转子磁场控制方案中，需要获得永磁同步电机的电角速度反馈以及电角度来完成矢量控制，但由于采用霍尔元件作为反馈，其分辨率较差，需要对电角度进行细分处理。采用三相霍尔信号作为速度信号反馈如图2所示，每隔60°产生一次信号跳变，通过数字信号处理芯片采集每次信号发生跳变的时间间隔可以获得永磁同步电机电角速度值，图2中最下方的数字编号表示三相霍尔信号A/B/C经控制芯片的IO口读取后获得的序列编号，其中A相位于最高位，高电平为1，低电平为零。当永磁同步电机正转时序列编号的顺序为：546231，当永磁同步电机反转时序列编号的顺序为：513264。

图3所示是通过采集三相霍尔信号获得电角速度及电角度的原理图，将三相霍尔信号经逻辑异或后送入控制芯片的捕获单元输入口，捕获单元在信号的上升沿或下降沿进行捕获中断处理，捕获发生时记录定时器的计数值来确定60°跳变区间间隔时间，再经过运算后获取电角速度及电角度值。

这里以图3中t_i时刻发生捕获中断为例，图中t_i-2、t_i-1、t_i、t_i+1分别为三相霍尔信号发生跳变捕获发生时记录的时间，θ_i-2、θ_i-1、θ_i、θ_i+1分别对应三相霍尔信号发生跳变时的电角度值。ω_i-1为转子在θ_i-1与θ_i间的平均电角速度，其计算公式如下：

T_i-1表示从θ_i-1到θ_i所用的时间，即T_i-1＝t_i-t_i-1。

把式(5)获得的平均电角速度看成60°跳变区间中点时刻的瞬时电角速度值，则α_i-1加速度计算公式如下：

其中T_i-2表示从θ_i-2到θ_i-1所用的时间，ω_i-2为转子在θ_i-2和θ_i-1间的平均电角速度，α_i-1表示t_i时刻永磁同步电机的角加速度值。

应用前60°跳变区间的平均电角速度ω_i-1和角加速度α_i-1来估算当前的电角度θ_ip，从图3中可以看出当前的电角度θ_ip等于区间初始电角度θ_i加上从θ_i已经旋转的电角度，其计算公式如下：

其中ω_ip表示t_p时刻转子瞬时电角速度，T_s为数控系统的运算周期(电角速度越快运算周期越短)，k表示跳变区间t_i～t_i+1经历的运算周期数。

这里提出了两种测速方案：(1)T测速法，通过计算两个捕获脉冲间隔时间来获得电角速度，如公式(5)所示；(2)M测速法，通过计算固定采样时间内获得的捕获脉冲数量来计算电角速度。由于霍尔元件安装工艺以及元件的一致性问题，实际应用时无法做到图2中的六个跳变区间都是60°的情况，故采用公式(5)计算电角速度会存在较大的误差，该误差率最大可达20％，将严重影响速度闭环控制效果。另外在带载启动及低速运行时，永磁同步电机容易抖动造成实际速度和测量速度存在较大误差，因此每60°进行速度测量的T测速法存在一定的局限性。

由于霍尔元件工作原理是感应磁场获得电信号，在每对磁极作用下产生宽度为180°的方波脉冲。即使三相霍尔元件由于安装位置存在偏差造成单个60°跳变区间有误差，从单路霍尔信号来看也都是高低电平各占一半，即180°。因此分别对A/B/C三相霍尔信号进行180°区间测速可以避免因机械位置或霍尔一致性差异造成的误差。通过设置三个数据寄存器：T_t3、T_t2、T_t1，参考图3，分别有T_t3＝T_i-3，T_t2＝T_i-2，T_t1＝T_i-1。以图2的霍尔信号序列为例，假设永磁同步电机正转时产生546231的信号序列，可以通过比较当前序列编号和上个捕获发生时的序列编号，来对计数时间进行正负赋值处理。例如当前捕获到序列编号为6，而上一次编号为4，则获得的计数时间值取正值，反之当上一个编号为2时，则获得的计数时间值取负值，这样可以获得转速的正负值。此时T测速法获得速度计算公式如下：

这里下标t表示用于T测速法，下标n表示区间编号为1～6中的一个，其数值同图3中的序列编号，ω_tn表示用T测速法获得的当前电角速度。

如采用M测速法时，对捕获信号的个数进行累计，该方式类似于增量式编码器的工作方式。比如当前序列编号为6，而上一次编号为4，则累计脉冲寄存器sum加1，反之当上一次编号为2时，累计脉冲寄存器sum减1。通过固定测速时间T_m来进行电角速度值的测量，此时M测速法下获得电角速度计算公式如下：

这里下标m表示用于M测速法，下标n表示区间编号为1～6中的一个，其数值同图3中的序列编号，ω_mn表示用M测速法获得的电角速度，sum_m和sum_m-1分别表示当前和上一测速周期获得脉冲累计值，P_n表示永磁同步电机极对数，T_m表示速度测量周期值。

上述两种测速方式的优缺点如下：带载启动或低速运行时，电机很容易产生正反两个方向的抖动，如采用T测速法，由公式(8)获得的永磁同步电机电角速度会出现较大偏离真实值的情况；而采用M测速法可以避免这一情况，对比公式(8)和(9)可知，包含电角速度信息的变量在T测速法中处于分母，而M测速法中则在分子处；对于低速抖动这种带载启动固有的工况来说，M测速法更为准确。在中高速运行时，M测速法固有一个脉冲误差的情况，在T_m周期较短及每圈脉冲数较少的情况下会产生较大的测量误差；而此时永磁同步电机单方向运行，T测速法获得的区间间隔时间能正确反映当前电角速度。故在整个测速范围内，启动及低速采用M测速法，中高速采用T测速法。

实际应用时，设置电角速度反馈切换阀值ω_s，当M测速法获得的ω_mn低于等于该阀值时，采用M测速法，当ω_mn高于阀值时，采用T测速法，具体如下：

其中ω_r表示用于速度环调节器的反馈电角速度值，在工程应用中为了防止电机在切换阀值附近产生来回抖动，通常需要设置滞环。

角加速度α_n通过T测速法获得，如计算公式(11)所示：

其中ω_{tn_old}表示上一次捕获中断时计算的电角速度值。

在图1所示的转子磁场定向控制框图中，需要电角度用于坐标变换，而三相霍尔信号获得的电角度仅进行了60°区分，电角度在整个区间内保持不变，是离散量。为了产生正弦波电流，需要在区间内对电角度进行细分，可以采用计算公式(7)。

在进行电角度细分时需要对角加速度α_n进行滤波处理，采用低通滤波器进行处理，设置低通滤波器截止角频率ω₀，经低通滤波器获得的角加速度α_nf用于电角度细分计算。此时公式(7)变为如下所示：

其中

表示该区间内由角加速度累计后的电角速度值，该值在每次进入捕获中断后需要清零处理，α_nf表示α_n经过低通滤波器处理后的角加速度值，θ_np表示n跳变区间内瞬时电角度值，θ_n0表示n跳变区间初始电角度值，ω_np表示n跳变区间内的瞬时电角速度。

实际工程应用，考虑启动及低速区域时采用方波驱动模式，中高速采用正弦波驱动方式，因此需要设置驱动切换阀值ω_a，如式(13)所示。同样考虑驱动切换阀值附近会出现抖动，需要设置一定的滞环。

上式中θ_rel表示用于矢量变换时的电角度值，θ_nz表示跳变n区间采用方波驱动模式时电角度值。

实施例1

电角速度和电角度的获取方法具体为：永磁同步电机速度的控制器采用数字信号处理器(DSP)，三相霍尔信号A/B/C通过逻辑电路异或后输出一路信号(如图2中所示Ha⊕Hb⊕Hc)连接控制器的捕获引脚，控制器内设有捕获单元在该信号(Ha⊕Hb⊕Hc)上升沿和下降沿分别触发进入捕获中断，三相霍尔信号A/B/C输出连接数字输入IO口；触发捕获中断后，控制器自动将计数值存入捕获计数寄存器中，同时自动将计数值清零，读取捕获计数寄存器可以获得当前60°跳变区间的计数值，可进一步折算到时间。另外，控制器内设置有定时中断进行电角度、电角速度、电流闭环控制。

控制器上电完成参数初始化，设置捕获中断标志位Cap_flag＝0，Cap_flag＝0表示已经处理过捕获中断的电角度值，Cap_flag＝1表示还未处理过捕获中断的电角度值；速度标志位Spd_flag＝0，Spd_flag＝0表示转子电角速度处于低速，Spd_flag＝1表示转子电角速度处于中高速；驱动标志位Angle_flag＝0，Angle_flag＝0表示方波驱动，Angle_flag＝1表示正弦波驱动；设置数据寄存器T_t1＝T_t2＝T_t3＝C₁，其中C₁为常数，累计脉冲寄存器sum＝0，跳变区间内由角加速度累计后的电角速度值

用于速度环调节器的反馈电角速度值ω_r＝0，用T测速法获得的当前电角速度ω_tn＝0，上个跳变区间用T测速法获得的当前电角速度ω_{tn_old}＝0，用M测速法获得的电角速度ω_mn＝0，测速模式切换上限阀值ω_s1＝0.02ω_rate～0.05ω_rate、测速模式切换下限阀值ω_s0＝0.01ω_rate～0.04ω_rate、驱动模式切换上限阀值ω_a1＝0.02ω_rate～0.05ω_rate、驱动模式切换下限阀值ω_a0＝0.01ω_rate～0.04ω_rate，ω_rate为永磁同步电机的额定角频率，角加速度值α_n＝0，M测速周期值T_m＝24ms；设置每个60°跳变区间的方波驱动电角度θ_nz(n＝1～6)，每个跳变区间正弦波驱动电角度初值θ_nx和θ_ny，θ_nx表示正转时三相霍尔信号A/B/C序列编号为n的电角度初值，θ_ny表示反转时三相霍尔信号A/B/C序列编号为n的电角度初值，n＝1～6为三相霍尔信号A/B/C的序列编号；读取初始三相霍尔信号A/B/C的序列编号并存入序列脉冲新寄存器Num_new和序列脉冲旧寄存器Num_old，根据三相霍尔信号A/B/C的序列编号n选择相应的θ_nz值并设入电角度θ_rel作为启动时电角度使用，并根据Num_new值设置跳变区间内最大电角度θ_max和跳变区间内最小电角度θ_min；开启捕获中断和定时中断；

进入捕获中断时，捕获中断的具体步骤为：

(a1)赋值T_t3＝T_t2，T_t2＝T_t1，读取三相霍尔信号A/B/C的IO信号，将获得的序列编号放入序列脉冲新寄存器Num_new，读取捕获计数寄存器并存入T_t1寄存器，设置捕获标志位Cap_flag为1；

(a2)根据预定序列编码，比较Num_new值与Num_old值，如果判定转子是正转则T_t1不变，累计脉冲寄存器sum加一；如果判定转子是反转则T_t1取反，累计脉冲寄存器sum减一；用公式

计算获得ω_tn，用公式

计算获得α_n；

(a3)根据Num_new值设置跳变区间内最大电角度θ_max和跳变区间内最小电角度θ_min；

(a4)设置Num_old＝Num_new，ω_{tn_old}＝ω_tn，

退出捕获中断；

进入定时中断时，定时中断的具体步骤如下，

(b1)判断Angle_flag是否为0，Angle_flag为0则跳到步骤(b3)，Angle_flag为1则判断Cap_flag标志是否为0，Cap_flag为0则跳到步骤(b4)，Cap_flag为1进入步骤(b2)；

(b2)设置Cap_flag为0，根据转子的转向，对跳变区间初始电角度θ_n0进行θ_nx或θ_ny赋值，然后跳到步骤(b4)；

(b3)根据Num_new值，将相应的预置θ_nz值设入电角度θ_rel，然后跳到步骤(b6)；

(b4)根据电角度细分公式

计算当前电角度θ_np；其中，ω_np表示n跳变区间内的瞬时电角速度，

α_nf表示α_n经过低通滤波器处理后的角加速度值，T_s为控制系统的运算周期，k表示跳变区间内经历的运算周期数；

(b5)比较当前电角度θ_np与跳变区间内最大电角度θ_max、跳变区间内最小电角度θ_min的关系，当θ_np大于θ_max时，设置θ_np＝θ_max，当θ_np小于θ_min时，设置θ_np＝θ_min，保证θ_min≤θ_np≤θ_max，然后将θ_np值设入电角度θ_rel；

(b6)计算电角度θ_rel的正余弦值，用于矢量变换；

(b7)判断当前计数周期是否达到M测速周期T_m，如时间未到则跳到步骤(b10)，如果已经达到M测速周期T_m，则根据公式

计算出ω_mn，进入步骤(b8)；其中，sum_m表示当前测速周期获得脉冲累计值，sum_m-1表示上一测速周期获得脉冲累计值，P_n表示永磁同步电机极对数；

(b8)判断ω_mn是否大于驱动模式切换上限阀值ω_a1，如果大于则Angle_flag设置为1，然后跳到步骤(b9)；如果ω_mn小于驱动模式切换上限阀值ω_a1，继续判断ω_mn是否小于驱动模式切换下限阀值ω_a0，小于则设置Angle_flag为0后进入步骤(b9)，大于则进入步骤(b9)；其中，ω_mn小于驱动模式切换下限阀值ω_a0时设置Angle_flag为0即为设置了滞环；

(b9)判断ω_mn是否大于测速模式切换上限阀值ω_s1，如果大于则Spd_flag设置为1，然后跳到步骤(b10)；如果ω_mn小于测速模式切换上限阀值ω_s1，继续判断ω_mn是否小于测速模式切换下限阀值ω_s0，小于ω_s0则设置Spd_flag为0后进入步骤(b10)，大于ω_s0则进入步骤(b10)；其中，ω_mn小于测速模式切换下限阀值ω_s0时设置设置Spd_flag为0即为设置了滞环；

(b10)判断标志Spd_flag是否为0，为0将ω_mn设入ω_r，为1则将ω_tn设入ω_r；

(b11)角加速度值α_n经低通滤波器获得α_nf；

(b12)经速度环、电流环、PI控制器及空间矢量PWM调制，最后输出占空比控制三相逆变电路，退出定时中断。

在本实施例中，永磁同步电机的额定转速3000rpm，额定电流14A，额定电压48V，P_n＝5，额定频率250Hz，电机调速范围30～3000(n/min)，额定角频率ω_rate＝100π(rad/s)时；ω_s1＝ω_a1＝2π(rad/s)，ω_s0＝ω_a0＝π(rad/s)，C₁＝4000000，T_m＝24ms，ω₀＝50π(rad/s)。

Claims (1)

1.一种基于霍尔传感器的永磁同步电机速度和电角度的获取方法，永磁同步电机速度的控制器采用数字信号处理器，三相霍尔信号A/B/C通过逻辑电路异或后输出一路信号连接控制器的捕获引脚，控制器内设有捕获单元在该信号上升沿和下降沿分别触发进入捕获中断，三相霍尔信号A/B/C输出连接数字输入IO口；控制器内设置有定时中断进行电角度、电角速度、电流闭环控制；其特征在于，

控制器上电完成参数初始化，设置捕获中断标志位Cap_flag＝0，Cap_flag＝0表示已经处理过捕获中断的电角度值，Cap_flag＝1表示还未处理过捕获中断的电角度值；速度标志位Spd_flag＝0，Spd_flag＝0表示转子电角速度处于低速，Spd_flag＝1表示转子电角速度处于中高速；驱动标志位Angle_flag＝0，Angle_flag＝0表示方波驱动，Angle_flag＝1表示正弦波驱动；设置数据寄存器T_t1＝T_t2＝T_t3＝C₁，其中C₁为常数，累计脉冲寄存器sum＝0，跳变区间内由角加速度累计后的电角速度值

用于速度环调节器的反馈电角速度值ω_r＝0，用T测速法获得的当前电角速度ω_tn＝0，上个跳变区间用T测速法获得的当前电角速度ω_{tn_old}＝0，用M测速法获得的电角速度ω_mn＝0，测速模式切换上限阀值ω_s1＝0.02ω_rate～0.05ω_rate、测速模式切换下限阀值ω_s0＝0.01ω_rate～0.04ω_rate、驱动模式切换上限阀值ω_a1＝0.02ω_rate～0.05ω_rate、驱动模式切换下限阀值ω_a0＝0.01ω_rate～0.04ω_rate，ω_rate为永磁同步电机的额定角频率，角加速度值α_n＝0，M测速周期值T_m＝24ms；设置每个60°跳变区间的方波驱动电角度θ_nz(n＝1～6)，每个跳变区间正弦波驱动电角度初值θ_nx和θ_ny，θ_nx表示正转时三相霍尔信号A/B/C序列编号为n的电角度初值，θ_ny表示反转时三相霍尔信号A/B/C序列编号为n的电角度初值，n＝1～6为三相霍尔信号A/B/C的序列编号；读取初始三相霍尔信号A/B/C的序列编号并存入序列脉冲新寄存器Num_new和序列脉冲旧寄存器Num_old，根据三相霍尔信号A/B/C的序列编号n选择相应的θ_nz值并设入电角度θ_rel作为启动时电角度使用，并根据Num_new值设置跳变区间内最大电角度θ_max和跳变区间内最小电角度θ_min；开启捕获中断和定时中断；

进入捕获中断时，捕获中断的具体步骤为：

(a1)赋值T_t3＝T_t2，T_t2＝T_t1，读取三相霍尔信号A/B/C的IO信号，将获得的序列编号放入序列脉冲新寄存器Num_new，读取捕获计数寄存器并存入T_t1寄存器，设置捕获标志位Cap_flag为1；

(a2)根据预定序列编码，比较Num_new值与Num_old值，如果判定转子是正转则T_t1不变，累计脉冲寄存器sum加一；如果判定转子是反转则T_t1取反，累计脉冲寄存器sum减一；用公式

计算获得ω_tn，用公式

计算获得α_n；

(a3)根据Num_new值设置跳变区间内最大电角度θ_max和跳变区间内最小电角度θ_min；

(a4)设置Num_old＝Num_new，ω_{tn_old}＝ω_tn，

退出捕获中断；

进入定时中断时，定时中断的具体步骤如下，

(b1)判断Angle_flag是否为0，Angle_flag为0则跳到步骤(b3)，Angle_flag为1则判断Cap_flag标志是否为0，Cap_flag为0则跳到步骤(b4)，Cap_flag为1进入步骤(b2)；

(b2)设置Cap_flag为0，根据转子的转向，对跳变区间初始电角度θ_n0进行θ_nx或θ_ny赋值，然后跳到步骤(b4)；

(b3)根据Num_new值，将相应的预置θ_nz值设入电角度θ_rel，然后跳到步骤(b6)；

(b4)根据电角度细分公式

计算当前电角度θ_np；其中，ω_np表示n跳变区间内的瞬时电角速度，

α_nf表示α_n经过低通滤波器处理后的角加速度值，T_s为控制系统的运算周期，k表示跳变区间内经历的运算周期数；

(b5)比较当前电角度θ_np与跳变区间内最大电角度θ_max、跳变区间内最小电角度θ_min的关系，当θ_np大于θ_max时，设置θ_np＝θ_max，当θ_np小于θ_min时，设置θ_np＝θ_min，保证θ_min≤θ_np≤θ_max，然后将θ_np值设入电角度θ_rel；

(b6)计算电角度θ_rel的正余弦值，用于矢量变换；

(b7)判断当前计数周期是否达到M测速周期T_m，如时间未到则跳到步骤(b10)，如果已经达到M测速周期T_m，则根据公式

计算出ω_mn，进入步骤(b8)；其中，sum_m表示当前测速周期获得脉冲累计值，sum_m-1表示上一测速周期获得脉冲累计值，P_n表示永磁同步电机极对数；

(b8)判断ω_mn是否大于驱动模式切换上限阀值ω_a1，如果大于则Angle_flag设置为1，然后跳到步骤(b9)；如果ω_mn小于驱动模式切换上限阀值ω_a1，继续判断当前ω_mn是否小于驱动模式切换下限阀值ω_a0，小于则设置Angle_flag为0后进入步骤(b9)，大于则进入步骤(b9)；

(b9)判断ω_mn是否大于测速模式切换上限阀值ω_s1，如果大于则Spd_flag设置为1，然后跳到步骤(b10)；如果ω_mn小于测速模式切换上限阀值ω_s1，继续判断ω_mn是否小于测速模式切换下限阀值ω_s0，小于ω_s0则设置Spd_flag为0后进入步骤(b10)，大于ω_s0则进入步骤(b10)；

(b10)判断标志Spd_flag是否为0，为0将ω_mn设入ω_r，为1则将ω_tn设入ω_r；

(b11)角加速度值α_n经低通滤波器获得α_nf；

(b12)经速度环、电流环、PI控制器及空间矢量PWM调制，最后输出占空比控制三相逆变电路，退出定时中断。

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