霍爾傳感器電機(jī)測速綜合改進(jìn)技術(shù)研究

張斯其

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院，成都 614106)

霍爾傳感器電機(jī)測速綜合改進(jìn)技術(shù)研究

張斯其

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院，成都 614106)

摘 要：研究了一種基于霍爾傳感器的位置及轉(zhuǎn)速估算改進(jìn)技術(shù)。針對傳統(tǒng)霍爾傳感器測速方案在不同轉(zhuǎn)速下的測量結(jié)果存在較大誤差的問題，綜合了2種傳統(tǒng)算法的優(yōu)點(diǎn)，在不同的速度區(qū)間內(nèi)采用不同的采樣周期，使用動態(tài)更新采樣周期的方式，有效地平衡了電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下對于實(shí)時(shí)性和采樣精度的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析均表明，相較于傳統(tǒng)算法，位置及轉(zhuǎn)速估算改進(jìn)技術(shù)對采樣精度和系統(tǒng)動態(tài)性能上均有較大提高。

關(guān)鍵詞：開關(guān)霍爾傳感器；永磁同步電機(jī)；轉(zhuǎn)子位置估算；矢量控制

0 引 言

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速信息對于采用矢量控制的電機(jī)系統(tǒng)必不可少。但由于設(shè)計(jì)成本以及安裝尺寸的限制，同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)速信息采樣算法的復(fù)雜性以及采樣的準(zhǔn)確性，基于開關(guān)霍爾傳感器的位置檢測方案有著明顯的優(yōu)勢。開關(guān)霍爾傳感器成本低廉，體積小巧，安裝和維修過程簡單方便，在工業(yè)、家用電器、船舶、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其適合一些成本低，同時(shí)對電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速要求分辨率不高的采樣系統(tǒng)。

1 霍爾傳感器位置及轉(zhuǎn)速估算原理

霍爾傳感器位置及轉(zhuǎn)速估算主要是對于開關(guān)霍爾狀態(tài)切換信息的處理以及計(jì)算。為了保證電機(jī)位置估算的精確度，通常采用對稱布置的三相霍爾傳感器來對電機(jī)位置進(jìn)行檢測。三相霍爾傳感器可以提供6個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號，且這6個(gè)信號是準(zhǔn)確的。相比于單相和兩相霍爾傳感器，在精度上有了較大的提高，且這種空間上的均勻分布，也使得霍爾傳感器的輸出信號與電機(jī)反電動勢信號存在一定的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。

從圖1中可以看出，由于霍爾位置在空間上的對稱分布，使得3個(gè)霍爾傳感器的輸出信號相位互差120°，且占空比為50%。檢測到當(dāng)前霍爾信號的變化后，將當(dāng)前信號與之前所在扇區(qū)的霍爾信號進(jìn)行比較，從而確定電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前所在位置，進(jìn)一步通過算法可以估算出轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信號。

但是由于霍爾傳感器只能提供6個(gè)準(zhǔn)確的位置信號，無法在電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)提供轉(zhuǎn)子在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)準(zhǔn)確的位置信號，這就需要利用這6個(gè)準(zhǔn)確的位置信號來對電機(jī)的真實(shí)位置進(jìn)行估算。假設(shè)θ0為所在某一扇區(qū)的轉(zhuǎn)子初始角度，在理想情況下轉(zhuǎn)子位置的表達(dá)式：

(1)

假設(shè)檢測到2次霍爾輸出狀態(tài)改變的間隔時(shí)間為Δt，則可根據(jù)式(2)計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)速：

(2)

同樣，電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置也可以通過式(3)進(jìn)行計(jì)算，在每一個(gè)檢測周期內(nèi)均認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子為勻速運(yùn)行：

θ(t)=θ0+ωn(t)Ts

(3)

式中：θ為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角度；Ts為采樣間隔；ωn為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

同時(shí)當(dāng)霍爾傳感器邊沿到來時(shí)，對所計(jì)算出的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行自校驗(yàn)，將轉(zhuǎn)子位置定位于霍爾傳感器輸出信號的邊沿位置。這樣可以清除每一個(gè)扇區(qū)內(nèi)由于電機(jī)轉(zhuǎn)速突變帶來的位置計(jì)算誤差，增加位置信號的計(jì)算精度。

霍爾傳感器對于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速計(jì)算的誤差主要來源于以下2個(gè)方面。

一是霍爾傳感器自身設(shè)計(jì)和在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部安裝過程中產(chǎn)生的固有誤差。原因是霍爾傳感器在轉(zhuǎn)子內(nèi)部安裝時(shí)很難做到完全的三相對稱，總是存在一定的安裝誤差，如圖2所示。以及霍爾信號半周期輸出的不對稱，如圖3所示。這都會導(dǎo)致電機(jī)反電動勢波形與霍爾輸出信號不同步。

圖2 霍爾傳感器的反電動勢檢測誤差

圖3 霍爾傳感器的半周期誤差

二是算法中產(chǎn)生的誤差。以實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為例，在低速和高速情況下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的差別非常明顯，使得霍爾計(jì)數(shù)值以及霍爾狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間隔在不同速度區(qū)間下差距明顯，如表1所示。在高速情況下算法對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的估算出現(xiàn)較大的誤差。

表1 不同轉(zhuǎn)速下霍爾采樣算法情況統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

2 位置檢測算法的改進(jìn)技術(shù)研究

本文對基于霍爾周期采樣的電機(jī)轉(zhuǎn)子測速算法進(jìn)行改進(jìn)。采樣周期仍然選用電氣周期，但是在采樣周期的選取中引入堆棧的概念，在電機(jī)運(yùn)行過程中，6個(gè)霍爾狀態(tài)連續(xù)更新，在每個(gè)新的換相周期到來時(shí)，將2個(gè)霍爾信號更新周期的時(shí)間間隔Δtn+7加入電周期ΔT，將6個(gè)狀態(tài)之前的時(shí)間間隔Δtn替換出去，與之前采樣得到的5個(gè)Δt相加得到新的計(jì)算電周期，利用新得到的Δt來對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。如圖4所示。那么電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可用式(4)計(jì)算得到：

(4)

圖4 霍爾傳感器測速改進(jìn)方案

這種選取電氣周期進(jìn)行計(jì)算的方法雖然排除了霍爾傳感器安裝過程中所帶來的誤差，而且采用采樣時(shí)間動態(tài)更新的方式，大大提高了原有算法的動態(tài)性能，但是在一些對實(shí)時(shí)性要求更高的場合，這種算法仍然存在一定的滯后，因此要對算法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)對于負(fù)載的變化較為敏感，系統(tǒng)運(yùn)行過程中對于傳感器的采樣速度要求較高，此時(shí)可以選用2個(gè)霍爾信號變化的時(shí)間間隔，即一個(gè)霍爾換相周期作為采樣周期。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，2個(gè)霍爾信號變化時(shí)間間隔變短，計(jì)數(shù)值變小，影響到采樣精度時(shí)，可以選取間隔的2個(gè)霍爾信號變化時(shí)間作為采樣周期。當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時(shí)，采樣精度進(jìn)一步下降，可以采用更多的霍爾信號變化時(shí)間組合成為采樣周期。如圖5所示。

圖5 霍爾傳感器測速綜合改進(jìn)方案

(5)

ta的時(shí)長：

(6)

則使用此時(shí)的計(jì)算周期ΔTa計(jì)算出的電速度：

(7)

由此可得出電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速：

(8)

檢測誤差可由下式得到：

(9)

根據(jù)式(9)可知，改進(jìn)型的霍爾綜合測速算法的檢測誤差與a值相關(guān)，也就是一個(gè)采樣周期ΔTa內(nèi)所含有的霍爾信號變化數(shù)目，選擇合適的a值可以有效地控制霍爾傳感器的采樣誤差，從而達(dá)到更好的控制效果。

大量的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)2次采樣時(shí)間的間隔內(nèi)，計(jì)數(shù)值保證在80以上時(shí)，可以有效地保證采樣精度，此時(shí)通過算法計(jì)算得到的速度精度好。因此在算法設(shè)計(jì)過程中，將a設(shè)定為可變參數(shù)，當(dāng)檢測到2次采樣間隔中的計(jì)數(shù)值小于80時(shí)，就增大a的數(shù)值，增大采樣區(qū)間；當(dāng)檢測到2次采樣間隔中的計(jì)數(shù)值大于200時(shí)，則減小a的數(shù)值，縮小采樣區(qū)間，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。算法中使用的轉(zhuǎn)速區(qū)間與采樣時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的采樣時(shí)間

3 基于開關(guān)霍爾傳感器的永磁同步電動機(jī)控制器設(shè)計(jì)

基于開關(guān)霍爾傳感器的永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)控制器、主功率電路和位置檢測電路組成。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 硬件電路總體設(shè)計(jì)

主功率電路采用三相全橋式結(jié)構(gòu)，利用霍爾傳感器以及電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速估算算法，對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行矢量控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所使用的對稱安裝的三相霍爾傳感器輸出信號如圖7所示。從中可以明顯看出，由于三相霍爾傳感器安裝的誤差，使得三相霍爾傳感器的輸出并不對稱。如圖8所示，霍爾信號與反電動勢信號存在明顯的角度誤差，而且這一誤差在每一相霍爾上的表現(xiàn)并不相同，為了消除這些誤差，重新設(shè)計(jì)估算算法非常有必要。

圖7 霍爾信號安裝誤差

圖8 霍爾信號與反電動勢檢測誤差

圖9和圖10分別為轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)改進(jìn)算法與傳統(tǒng)算法的轉(zhuǎn)速和位置估算結(jié)果。從圖9中可以明顯看出，傳統(tǒng)的基于霍爾換相周期的估算方法誤差很大，在轉(zhuǎn)速和位置波形中均出現(xiàn)了較大的跳變點(diǎn)，波動很大，電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動很大，轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)態(tài)精度較差。改進(jìn)的可變周期的估算方法中，相比于傳統(tǒng)算法，位置和轉(zhuǎn)速估算結(jié)果都很平滑，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定。同時(shí)在這2種算法下電機(jī)運(yùn)行電流也有著一定的差別，如圖11和圖12所示，改進(jìn)后的算法相比于傳統(tǒng)算法電流波形的正弦度更好，電流輸出波形毛刺較少，沒有突變量。

圖9 基于傳統(tǒng)霍爾換相周期估算的角度與轉(zhuǎn)速

圖10 基于改進(jìn)算法估算的角度與轉(zhuǎn)速

圖11 基于傳統(tǒng)霍爾換相周期的電機(jī)相電流

圖12 基于改進(jìn)算法的電機(jī)相電流

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的基于霍爾信號的位置速度檢測技術(shù)能夠提高電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速估算的準(zhǔn)確性，提高電機(jī)的控制性能。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)霍爾傳感器測速在不同轉(zhuǎn)速下的測量結(jié)果存在較大誤差的問題，本文研究了一種基于霍爾傳感器位置及轉(zhuǎn)速估算的改進(jìn)技術(shù)，綜合了2種傳統(tǒng)算法的優(yōu)點(diǎn)，在不同的速度區(qū)間內(nèi)采用不同的采樣周期，使用動態(tài)更新采樣周期的方式，有效地平衡了不同轉(zhuǎn)速下對于實(shí)時(shí)性和采樣精度的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合，均證明了該技術(shù)的有效性。

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ResearchonHallSensorMotorSpeedImprovementTechnology

ZHANGSi-qi

(Nuclear Power Institute of China,Chengdu 614106,China)

Abstract:An improved technique of position and speed estimation based on Hall sensor was analyzed. In view of the fact that the traditional Hall sensor velocity measurement scheme has different errors in the measurement results at different rotational speeds, the advantages of the two traditional algorithms were summarized. Different speed intervals were used in different sampling periods, effectively balancing the requirements for real-time and sampling accuracy for different motor speeds. Experimental results and theoretical analysis show that, compared with the traditional algorithm, the position and speed estimation techniques were greatly improved both in terms of sampling accuracy and system dynamic performance.

Key words：switch hall sensor; permanent magnet synchronous motor(PMSM); rotor position estimation; vector control

中圖分類號：TM464

A

1004-7018(2018)05-0031-04

2018-01-19

作者簡介：張斯其(1991—)，男，助理工程師，主要研究方向?yàn)橐惑w化電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動與控制。

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