北京航空航天大學(xué)慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市高速磁懸浮電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心的研究人員趙遠(yuǎn)洋、韓邦成、陳寶棟，在2019年第15期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出(論文標(biāo)題為“基于霍爾矢量相位跟蹤的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法”)，三相開關(guān)式霍爾位置傳感器常用于檢測永磁同步電機(jī)低分辨率的轉(zhuǎn)子位置信息。

針對霍爾信號不對稱引起轉(zhuǎn)子位置及速度估算誤差增大的問題，該文提出基于霍爾矢量相位跟蹤的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法。首先將三相霍爾信號經(jīng)過3/2坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為包含轉(zhuǎn)子位置信息的霍爾旋轉(zhuǎn)矢量；然后將同頻跟蹤濾波器分別作用于旋轉(zhuǎn)矢量的兩個(gè)正交分量，濾除其中的高頻干擾，得到與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的基頻信號，該信號分別為轉(zhuǎn)子位置的正弦與余弦函數(shù)；最后利用正交鎖相環(huán)提取出精確的轉(zhuǎn)子位置與速度信息。

該方法可以有效降低由于安裝工藝導(dǎo)致霍爾信號不對稱所引起的轉(zhuǎn)子位置及速度估算誤差，實(shí)施過程簡單，估計(jì)精度好，對電機(jī)參數(shù)不敏感，性價(jià)比高。仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)因具有體積小、重量輕、能量密度高和運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)的主流驅(qū)動單元，在航空航天、汽車和家電等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

對電機(jī)進(jìn)行高性能控制首先需要獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置。常用的轉(zhuǎn)子位置檢測方法主要包括有位置傳感器、無位置傳感器及準(zhǔn)無位置傳感器控制方法。傳統(tǒng)的有位置傳感器檢測方法常采用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器。這些傳感器可以獲得較高的位置分辨率，但同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)成本和體積增加、硬件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，甚至降低了系統(tǒng)的可靠性。無位置傳感器位置檢測方法主要分為基于基波數(shù)學(xué)模型的估計(jì)方法和基于高頻信號注入的估計(jì)方法兩類。

目前，這兩類方法都還不能實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置與速度的估算。同時(shí)位置與速度估算性能受電機(jī)參數(shù)、電機(jī)溫度、逆變器非線性等因素的影響，還無法實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的目標(biāo)。

開關(guān)式霍爾位置傳感器具有體積小、成本低、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，通常應(yīng)用于無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor, BLDCM)中，提供電機(jī)換相的參考信號。將開關(guān)式霍爾位置傳感器用于PMSM的轉(zhuǎn)子位置檢測又稱為準(zhǔn)無位置傳感器控制方法，是一種既能夠保證電機(jī)運(yùn)行性能，同時(shí)降低系統(tǒng)成本的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)。三相開關(guān)式霍爾位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)僅提供六個(gè)離散的霍爾信號，對應(yīng)離散的轉(zhuǎn)子位置信息。目前，采用離散的霍爾位置信號實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的高分辨率估算主要包括插值法和觀測器法兩類。

有學(xué)者提出了基于平均速度法和平均加速度法的兩種轉(zhuǎn)子位置插值估算法。平均速度法采用傳統(tǒng)T法測速，其速度及位置估算精度與霍爾傳感器輸出信號密切相關(guān)。在實(shí)際中，由于安裝工藝限制，霍爾傳感器的安裝誤差或電機(jī)磁極的非對稱性均會造成霍爾傳感器輸出信號存在偏差。

為減小霍爾傳感器安裝誤差引起的轉(zhuǎn)子位置估算誤差，有學(xué)者提出了一種霍爾轉(zhuǎn)子位置預(yù)估及其校正方法，利用六個(gè)離散的霍爾信號將轉(zhuǎn)子位置區(qū)間分為六個(gè)扇區(qū)，將霍爾扇區(qū)初始位置校正和線性校正法結(jié)合，減小由于霍爾傳感器安裝誤差造成的轉(zhuǎn)子位置估算誤差，但此方法不能解決電機(jī)磁極的非對稱引起的霍爾信號偏差造成的影響，而且霍爾扇區(qū)初始校正時(shí)需要首先確定三相霍爾信號中產(chǎn)生偏差的具體是哪一相，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行校正，從而增加了算法復(fù)雜度并限制了其應(yīng)用。

有學(xué)者將最小二乘法應(yīng)用到霍爾信號的處理上，采用多區(qū)間測速方法，在降低速度估算誤差的同時(shí)補(bǔ)償了位置估算誤差。但是為提高低速階段電機(jī)速度的動態(tài)響應(yīng)，在算法設(shè)計(jì)時(shí)要加入方波驅(qū)動方式，增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

有學(xué)者采用狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度的估計(jì)，雖然具有良好的動態(tài)性能，但位置及速度估算誤差會由于霍爾信號輸出存在的偏差而增大。

有學(xué)者采用結(jié)合了磁鏈觀測器的矢量跟蹤觀測器，抑制了由霍爾信號偏差引起的轉(zhuǎn)子位置估算誤差。但增加的磁鏈觀測器性能容易受到電流傳感器精度及外部溫度等因素的影響。采用觀測器法雖然可以解決插值法帶來的滯后效應(yīng)，但其受電機(jī)參數(shù)的影響較大，而且當(dāng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速很高時(shí)，對觀測器帶寬的要求較高。帶寬過寬不僅增大高頻干擾而且影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此觀測器估算性能會因電機(jī)轉(zhuǎn)速過高而變差。

針對上述霍爾信號不對稱引起轉(zhuǎn)子位置及速度估算誤差增大的問題，本文提出了基于霍爾矢量相位跟蹤(Hall Vector Phase Tracking, HVPT)的PMSM轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法。首先將三相霍爾信號經(jīng)過3/2坐標(biāo)變換得到霍爾旋轉(zhuǎn)矢量；提出并采用一種自適應(yīng)同頻跟蹤濾波器(Synchronous Frequency Tracking-Filter, SFTF)，然后將其分別作用于旋轉(zhuǎn)矢量的兩個(gè)正交分量，得到的基頻信號分別為轉(zhuǎn)子位置的正弦與余弦函數(shù)；最后用正交鎖相環(huán)提取出轉(zhuǎn)子的位置與速度信息。

與傳統(tǒng)T法速度及位置估算方法相比，該方法可有效降低由于安裝工藝導(dǎo)致霍爾信號不對稱所引起的轉(zhuǎn)子位置及速度估算誤差。仿真分析驗(yàn)證了所提方法的正確性，將所提方法應(yīng)用于磁懸浮DN250CF中抽速分子泵樣機(jī)，最終速度估算誤差控制在0.5%以內(nèi)，位置估算平滑連續(xù)，相電流對稱性好，正弦度高，證明了所提方法的有效性。

圖11 PMSM仿真控制框圖

圖17 永磁同步電機(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)平臺

總結(jié)

本文以開關(guān)式霍爾位置傳感器的工作原理與坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)，分析了霍爾信號不對稱對霍爾矢量頻譜產(chǎn)生的影響，提出了基于霍爾矢量相位跟蹤的PMSM轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法。主要得到以下結(jié)論：

• 1)采用本文所提方法估算的高分辨率轉(zhuǎn)子位置連續(xù)平滑，具有良好的動態(tài)效應(yīng)，電機(jī)穩(wěn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速估算誤差控制在0.5%以內(nèi)。
• 2)采用自適應(yīng)同頻跟蹤濾波器可以濾除由于霍爾信號不對稱引起的霍爾矢量高頻奇次分量增加的現(xiàn)象，有效降低了霍爾位置傳感器安裝不對稱及電機(jī)磁極不對稱引起的轉(zhuǎn)子位置與速度估算誤差，彌補(bǔ)了電機(jī)加工工藝的缺陷。
• 3)該方法適用于安裝有三相開關(guān)式霍爾位置傳感器的永磁電機(jī)。采用該方法估算轉(zhuǎn)子位置與速度不需要電機(jī)的相電阻、相電感等參數(shù)，可靠性強(qiáng)。

總結(jié)

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