CN108847792A - 一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法，所述估算方法是：在电机运行时，先根据霍尔信号，将转子一周分为六个霍尔扇区，通过三个采样电阻采集电机运行相电流；根据霍尔信号值对单霍尔扇区运行时间计时，计算前一时刻霍尔平均转速和加速度，对转子位置进行估算，得到第一批参数；建立滑模观测器，定义滑模面，通过锁相环提取反电动势中的转子位置信息，并通过离散位置信号对位置估算结果进行加权线性前馈矫正，得到第二批参数；最后，根据上述所得参数调节观测权值，得出结果。本发明可以在宽速度范围内精确地估算电机转子位置，达到永磁同步电机矢量控制***的高性能控制的效果。

Description

一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法。

背景技术

在高性能永磁同步电机控制***中，为了精确获取转速闭环和空间矢量脉冲调制所需要的转子速度和位置信息，一般需要在电机转子轴端安装高精度的位置传感器，虽然高精度位置传感器的引入可以保证电机的控制结果，但是也存在***可靠性降低，控制成本增加等一系列问题。为了解决上述问题，许多学者对无传感器算法进行了大量研究，但是无传感器算法过度依赖电机本身。存在低速运行不可靠，无法确定转子位置跟踪的准确性等问题。

考虑控制***性能与成本问题，选用的低精度位置传感器完成转速和位置的估算，但是现有算法，有模型算法参数设计复杂和无模型算法转子位置估算噪声含量高，估算结果滞后明显等问题，提出了一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法，可以较好的满足***。

发明内容

本发明的目的是为了解决永磁同步电机矢量控制中无法利用离散霍尔信号获得较高精度的转子位置问题，而提供的一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法，包括如下步骤：

步骤一：将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，在转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，每个霍尔扇区为π/3；

步骤二：采集电机运行相电流，采集霍尔信号值，对转子在单霍尔扇区的运行时间计时；

步骤三：根据前一个霍尔扇区转子运行时间和霍尔扇区弧长π/3，计算转子在前一霍尔扇区的平均转速和加速度，并计算得到当前转子位置θ₁和转速ω₁，记为第一批参数；

步骤四：根据电机相电流进行坐标变换，得到α-β坐标系下电流，并建立α-β坐标系下的永磁同步电机数学模型；根据数学模型建立滑模观测器，定义滑模面，求出α-β坐标系下反电动势；

步骤五：通过锁相环对反电动势中转子位置信息进行提取，并通过离散位置信号对提取得到的转子位置进行加权线性前馈矫正，得到校正后的转子位置θ₂和转速ω₂，记为第二批参数；

步骤六：根据上述所得第一、二批次参数，定义所述第一、二批参数权值为观测器权值λ，将第一、二批参数θ₁、θ₂和观测器权值λ代入下式，得到估算转子位置θ_r：

θ_r＝λθ₁+(1-λ)θ₂

其中，观测器权值λ调节方法是：将得到的转子位置θ_r和转速ω_r输入到参数调节器使其对变化权值，权值其中ω_r为估算转子转速，ω_r＝λω₁+(1-λ)ω₂，Δθ为单个霍尔扇区位置变化，n为额定转速。

优选的，所述步骤二中，采集电机运行相电流的方法是：在全桥逆变器的三个下桥臂上分别串联一个采样电阻，采集所述采样电阻上的电压并经过AD转换后获取电机相电流。

优选的，所述步骤三中，第一批参数求解方法是：由转子在前一个霍尔扇区的运行时间估算转子在前一个霍尔扇区的平均转速由前两个霍尔扇区的平均转速求出平均转速变化的加速度根据所求平均转速和加速度构建第一批参数θ₁：

其中，θ_k为当前霍尔扇区起始位置，ΔT为前一霍尔扇区转子运行时间，Δt为在当前霍尔扇区的运行时间，Δω为两个霍尔扇区内平均转速的差。

优选的，所述步骤四中，建立α-β坐标系下的永磁同步电机滑模反电动势观测器的方法是：

首先对电机相电流进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流，建立永磁同步电机的数学模型，根据所述数学模型在两相静止坐标系中根据期望值与实际值做差，定义滑模观测面S与滑模观测器的增益系数κ＞max(|e_α|,|e_β|)，其中，e_α、e_β分别为α-β轴的反电势分量，并且有 为估算转子电角速度，ψ_f为电机转子永磁体磁链，为电机转子相对于α轴的电角度位置；则有其中，S^T为S的转置，为S的一阶导数；***滑动模态生成，即S＝0，通过滑模观测反电动势方程可估算出α-β轴定子反电势，构建滑模观测器为：

其中，R_s为定子电阻，L_s为定子d-q轴电感，v_α、v_β为电机定子α-β轴电压分量，i_α、i_β分别为电机定子α-β轴电流分量，为i_α、i_β的估计值，F为sigmoid函数，κ为滑模观测器增益系数。

优选的，所述三相电流坐标变换采用Clarke变换，Clarke变换是将三相平面坐标系ABC向两相平面矢量坐标系转换，变换过程如式(3)所示。

优选的，定义的滑模面如式(4)所示。

优选的，所述步骤五中，通过锁相环进行转子和转速估算的方法是：将估算得到的反电动势作为锁相环输入，通过锁相环进行转子位置信号的提取，通过离散霍尔位置信息对提取出的信号进行加权线性前馈校正，锁相环***闭环传递函数如式(5)所示：

其中，K_p和K_I为PI控制器的比例和积分参数，误差ε表示为：

其中，E＝ω₂ψ_f；经过PI调节后，误差ε趋近于零，即估计转子位置角近似实际转子位置角。

优选的，所述通过离散位置信号对位置估算结果进行加权线性前馈矫正的方法是：假设在相邻霍尔扇区运行时间相同，用上一霍尔扇区时间代替当前区间时间，引入补偿权值对双观观测器使用加权线性补偿方法，通过公式(7)对滑模观测值进行线性补偿：

其中，θ₂、分别为补偿前后滑模观测位置，霍尔边界转子位置估算误差。

采用上述方案后，本发明可以在较宽转速范围内获得较高精度的观测转子位置。

附图说明

图1是霍尔位置传感器安装结构图；

图2是观测器参数调节器；

图3是观测器结构框图；

图4是本发明流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，三个开关型霍尔位置传感器应中心对称安装。

如图2所示，本发明提供一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法，包括如下步骤：

一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法，包括如下步骤：

步骤一：将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，在转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，每个霍尔扇区为π/3；

步骤二：采集电机运行相电流，采集霍尔信号值，对转子在单霍尔扇区的运行时间计时；

步骤三：根据前一个霍尔扇区转子运行时间和霍尔扇区弧长π/3，计算转子在前一霍尔扇区的平均转速和加速度，并计算得到当前转子位置θ₁和转速ω₁，记为第一批参数；

步骤四：根据电机相电流进行坐标变换，得到α-β坐标系下电流，并建立α-β坐标系下的永磁同步电机数学模型；根据数学模型建立滑模观测器，定义滑模面，求出α-β坐标系下反电动势；

步骤五：通过锁相环对反电动势中转子位置信息进行提取，并通过离散位置信号对提取得到的转子位置进行加权线性前馈矫正，得到校正后的转子位置θ₂和转速ω₂，记为第二批参数；

步骤六：根据上述所得第一、二批次参数，定义所述第一、二批参数权值为观测器权值λ，将第一、二批参数θ₁、θ₂和观测器权值λ代入下式，得到估算转子位置θ_r：

θ_r＝λθ₁+(1-λ)θ₂

其中，ω_r为估算转子转速，如图3所示，观测器权值λ调节方法是：将得到的转子位置θ_r和转速ω_r输入到参数调节器使其对变化权值，权值其中ω_r由上一霍尔扇区的转子转速代入；ω_r＝λω₁+(1-λ)ω₂，Δθ为单个霍尔扇区位置变化，n为额定转速。将加权值代入到公式θ_r＝λθ₁+(1-λ)θ₂中，即可得到估算转子位置θ_r，完成转子位置的估算。

进一步的，上述所述步骤二中，采集电机运行相电流的方法是：在全桥逆变器的三个下桥臂分别串联三个采样电阻，经过AD转换获取电机相电流。

进一步的，上述所述步骤三中，所述步骤三中，第一批参数求解方法是：由转子在前一个霍尔扇区的运行时间估算转子在前一个霍尔扇区的平均转速由前两个霍尔扇区的平均转速求出平均转速变化的加速度根据所求平均转速和加速度构建第一批参数θ₁：

其中，θ_k为当前霍尔扇区起始位置，ΔT为前一霍尔扇区转子运行时间，Δt为在当前霍尔扇区的运行时间，Δω为两个霍尔扇区内平均转速的差。

进一步的，上述所述步骤四中，建立α-β坐标系下的永磁同步电机滑模反电动势观测器的方法是：

首先对电机相电流进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流，建立永磁同步电机的数学模型，根据所述数学模型在两相静止坐标系中根据期望值与实际值做差，定义滑模观测面S与滑模观测器的增益系数κ＞max(|e_α|,|e_β|)，其中，e_α、e_β分别为α-β轴的反电势分量，并且有 为估算转子电角速度，ψ_f为电机转子永磁体磁链，为电机转子相对于α轴的电角度位置；则有其中，S^T为S的转置，为S的一阶导数；***滑动模态生成，即S＝0，通过滑模观测反电动势方程可估算出α-β轴定子反电势，构建滑模观测器为：

其中，R_s为定子电阻，L_s为定子d-q轴电感，v_α、v_β为电机定子α-β轴电压分量，i_α、i_β分别为电机定子α-β轴电流分量，为i_α、i_β的估计值，F为sigmoid函数，κ为滑模观测器增益系数。

进一步的，上述所述三相电流坐标变换采用的是的方法是：Clarke变换，所述Clarke是将三相平面坐标系ABC向两相平面矢量坐标系转换，即3/2变换。

进一步的，上述所述定义的滑模面是：

进一步的，上述所述步骤五中，通过锁相环进行转子和转速估算的方法是：将估算得到的反电动势作为锁相环输入，通过锁相环进行转子位置信号的提取，通过离散霍尔位置信息对提取出的信号进行加权线性前馈校正，锁相环***闭环传递函数如式(5)所示：

其中，K_p和K_I为PI控制器的比例和积分参数，误差ε表示为：

其中，E＝ω₂ψ_f；经过PI调节后，误差ε趋近于零，即估计转子位置角近似实际转子位置角。

进一步的，参照图2，上述所述通过离散位置信号对位置估算结果进行加权线性前馈矫正的方法是：假设在相邻霍尔扇区运行时间相同，用上一霍尔扇区时间代替当前区间时间，引入补偿权值对双观观测器使用加权线性补偿方法，通过公式(7)对滑模观测值进行线性补偿：

其中，θ₂、分别为补偿前后滑模观测位置，霍尔边界转子位置估算误差。

综上，本发明在综合考虑成本和控制性能的基础上，可以在较宽范围内较高精度的观测转子位置与转速，具有霍尔位置传感器的双观测估算方法不仅对无传感器滑模算法可靠性有所提升，同时能够提高转子位置估算精度，降低转速估算误差。将平均加速度法计算得到转速信息作为前馈量输入到滑模观测器中不仅能解决滑模观测器存在的起动不可靠和低速平稳性问题，高速下滑模观测器对平均加速度算法进行修正，减小霍尔位置传感器安装误差带来的影响，可以达到较高标准的控制要求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，在转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，每个霍尔扇区为π/3；

步骤二：采集电机运行相电流，采集霍尔信号值，对转子在单霍尔扇区的运行时间计时；

步骤三：根据前一个霍尔扇区转子运行时间和霍尔扇区弧长π/3，计算转子在前一霍尔扇区的平均转速和加速度，并计算得到当前转子位置θ₁和转速ω₁，记为第一批参数；

步骤四：根据电机相电流进行坐标变换，得到α-β坐标系下电流，并建立α-β坐标系下的永磁同步电机数学模型；根据数学模型建立滑模观测器，定义滑模面，求出α-β坐标系下反电动势；

步骤五：通过锁相环对反电动势中转子位置信息进行提取，并通过离散位置信号对提取得到的转子位置进行加权线性前馈矫正，得到校正后的转子位置θ₂和转速ω₂，记为第二批参数；

步骤六：根据上述所得第一、二批次参数，定义所述第一、二批参数权值为观测器权值λ，将第一、二批参数θ₁、θ₂和观测器权值λ代入下式，得到估算转子位置θ_r：

θ_r＝λθ₁+(1-λ)θ₂

其中，观测器权值λ调节方法是：将得到的转子位置θ_r和转速ω_r输入到参数调节器使其对变化权值，权值其中ω_r为估算转子转速，ω_r＝λω₁+(1-λ)ω₂，Δθ为单个霍尔扇区位置变化，n为额定转速。

2.如权利要求1所述的霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于，所述步骤二中，采集电机运行相电流的方法是：在全桥逆变器的三个下桥臂上分别串联一个采样电阻，采集所述采样电阻上的电压并经过AD转换后获取电机相电流。

3.如权利要求1所述的霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于，所述步骤三中，第一批参数求解方法是：由转子在前一个霍尔扇区的运行时间估算转子在前一个霍尔扇区的平均转速由前两个霍尔扇区的平均转速求出平均转速变化的加速度根据所求平均转速和加速度构建第一批参数θ₁：

其中，θ_k为当前霍尔扇区起始位置，ΔT为前一霍尔扇区转子运行时间，Δt为在当前霍尔扇区的运行时间，Δω为两个霍尔扇区内平均转速的差。

4.如权利要求3所述的霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于，所述步骤四中，建立α-β坐标系下的永磁同步电机滑模反电动势观测器的方法是：

首先对电机相电流进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流，建立永磁同步电机的数学模型，根据所述数学模型在两相静止坐标系中根据期望值与实际值做差，定义滑模观测面S与滑模观测器的增益系数κ＞max(|e_α|,|e_β|)，其中，e_α、e_β分别为α-β轴的反电势分量，并且有 为估算转子电角速度，ψ|为电机转子永磁体磁链，为电机转子相对于α轴的电角度位置；则有其中，S^T为S的转置，为S的一阶导数；***滑动模态生成，即S＝0，通过滑模观测反电动势方程可估算出α-β轴定子反电势，构建滑模观测器为：

其中，R_s为定子电阻，L_s为定子d-q轴电感，v_α、v_β为电机定子α-β轴电压分量，i_α、i_β分别为电机定子α-β轴电流分量，为i_α、i_β的估计值，F为sigmoid函数，κ为滑模观测器增益系数。

5.如权利要求4所述的霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于，所述三相电流坐标变换采用Clarke变换，Clarke变换是将三相平面坐标系ABC向两相平面矢量坐标系转换，变换过程如式(3)所示。

6.如权利要求5所述的霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于，定义的滑模面如式(4)所示。

7.如权利要求6所述的霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于，所述步骤五中，通过锁相环进行转子和转速估算的方法是：将估算得到的反电动势作为锁相环输入，通过锁相环进行转子位置信号的提取，通过离散霍尔位置信息对提取出的信号进行加权线性前馈校正，锁相环***闭环传递函数如式(5)所示：

其中，K_p和K_I为PI控制器的比例和积分参数，误差ε表示为：

其中，E＝ω₂ψ_f；经过PI调节后，误差ε趋近于零，即估计转子位置角近似实际转子位置角。

8.如权利要求7所述的霍尔位置传感器估算转子位置的方法，其特征在于，所述通过离散位置信号对位置估算结果进行加权线性前馈矫正的方法是：假设在相邻霍尔扇区运行时间相同，用上一霍尔扇区时间代替当前区间时间，引入补偿权值对双观观测器使用加权线性补偿方法，通过公式(7)对滑模观测值进行线性补偿：

其中，θ₂、分别为补偿前后滑模观测位置，霍尔边界转子位置估算误差。