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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

文献发布时间：2023-06-19 16:09:34

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

进入捕获中断时，捕获中断的具体步骤为：

(a1)赋值T

(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

(a3)根据Num_new值设置跳变区间内最大电角度θ

(a4)设置Num_old＝Num_new，ω

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

(b3)根据Num_new值，将相应的预置θ

(b4)根据电角度细分公式

(b5)比较当前电角度θ

(b6)计算电角度θ

(b7)判断当前计数周期是否达到M测速周期T

(b8)判断ω

(b9)判断ω

(b10)判断标志Spd_flag是否为0，为0将ω

(b11)角加速度值α

(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

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

(2)i

(3)转子速度/位置反馈模块将测量的转子电角速度ω

(4)交轴参考电流i

(5)电压ν

(6)电压ν

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

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

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

其中T

应用前60°跳变区间的平均电角速度ω

其中ω

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

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

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

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

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

实际应用时，设置电角速度反馈切换阀值ω

其中ω

角加速度α

其中ω

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

其中

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

上式中θ

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。