- 頭條永磁同步電機轉子位置與速度估算的新方法，精度好，性價比高2020-12-22 作者：趙遠洋 韓邦成 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京航空航天大學慣性技術重點實驗室、北京市高速磁懸浮電機技術及應用工程技術研究中心的研究人員趙遠洋、韓邦成、陳寶棟，在2019年第15期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“基于霍爾矢量相位跟蹤的永磁同步電機轉子位置與速度估算方法”），三相開關式霍爾位置傳感器常用于檢測永磁同步電機低分辨率的轉子位置信息。 針對霍爾信號不對稱引起轉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轉子位置與速度估算方法。首先將三相霍爾信號經過3/2坐標變換轉換為包含轉子位置信息的霍爾旋轉矢量；然后將同頻跟蹤濾波器分別作用于旋轉矢量的兩個正交分量，濾除其中的高頻干擾，得到與轉子位置相關的基頻信號，該信號分別為轉子位置的正弦與余弦函數；最后利用正交鎖相環提取出精確的轉子位置與速度信息。 該方法可以有效降低由于安裝工藝導致霍爾信號不對稱所引起的轉子位置及速度估算誤差，實施過程簡單，估計精度好，對電機參數不敏感，性價比高。仿真分析與實驗驗證了所提方法的正確性和有效性。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因具有體積小、重量輕、能量密度高和運行可靠性高等優點而逐漸成為交流調速和伺服系統的主流驅動單元，在航空航天、汽車和家電等領域都有著廣泛的應用。
對電機進行高性能控制首先需要獲得準確的轉子位置。常用的轉子位置檢測方法主要包括有位置傳感器、無位置傳感器及準無位置傳感器控制方法。傳統的有位置傳感器檢測方法常采用光電編碼器、旋轉變壓器等傳感器。這些傳感器可以獲得較高的位置分辨率，但同時導致系統成本和體積增加、硬件結構更加復雜，甚至降低了系統的可靠性。無位置傳感器位置檢測方法主要分為基于基波數學模型的估計方法和基于高頻信號注入的估計方法兩類。
目前，這兩類方法都還不能實現全轉速范圍內轉子位置與速度的估算。同時位置與速度估算性能受電機參數、電機溫度、逆變器非線性等因素的影響，還無法實現低成本、高性能的目標。
開關式霍爾位置傳感器具有體積小、成本低、抗干擾性強的優點，通常應用于無刷直流電機（Brushless DC Motor, BLDCM）中，提供電機換相的參考信號。將開關式霍爾位置傳感器用于PMSM的轉子位置檢測又稱為準無位置傳感器控制方法，是一種既能夠保證電機運行性能，同時降低系統成本的轉子位置檢測技術。三相開關式霍爾位置傳感器在一個電周期內僅提供六個離散的霍爾信號，對應離散的轉子位置信息。目前，采用離散的霍爾位置信號實現轉子位置的高分辨率估算主要包括插值法和觀測器法兩類。
有學者提出了基于平均速度法和平均加速度法的兩種轉子位置插值估算法。平均速度法采用傳統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。在實際中，由于安裝工藝限制，霍爾傳感器的安裝誤差或電機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子位置估算誤差，有學者提出了一種霍爾轉子位置預估及其校正方法，利用六個離散的霍爾信號將轉子位置區間分為六個扇區，將霍爾扇區初始位置校正和線性校正法結合，減小由于霍爾傳感器安裝誤差造成的轉子位置估算誤差，但此方法不能解決電機磁極的非對稱引起的霍爾信號偏差造成的影響，而且霍爾扇區初始校正時需要首先確定三相霍爾信號中產生偏差的具體是哪一相，在此基礎上進行校正，從而增加了算法復雜度并限制了其應用。
有學者將最小二乘法應用到霍爾信號的處理上，采用多區間測速方法，在降低速度估算誤差的同時補償了位置估算誤差。但是為提高低速階段電機速度的動態響應，在算法設計時要加入方波驅動方式，增加了軟件設計的復雜性。
有學者采用狀態觀測器實現對電機轉子位置和速度的估計，雖然具有良好的動態性能，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。
有學者采用結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，但其受電機參數的影響較大，而且當電機運行轉速很高時，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穩定性，因此觀測器估算性能會因電機轉速過高而變差。
針對上述霍爾信號不對稱引起轉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轉子位置與速度估算方法。首先將三相霍爾信號經過3/2坐標變換得到霍爾旋轉矢量；提出并采用一種自適應同頻跟蹤濾波器（Synchronous Frequency Tracking-Filter, SFTF），然后將其分別作用于旋轉矢量的兩個正交分量，得到的基頻信號分別為轉子位置的正弦與余弦函數；最后用正交鎖相環提取出轉子的位置與速度信息。
與傳統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致霍爾信號不對稱所引起的轉子位置及速度估算誤差。仿真分析驗證了所提方法的正確性，將所提方法應用于磁懸浮DN250CF中抽速分子泵樣機，最終速度估算誤差控制在0.5%以內，位置估算平滑連續，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 永磁同步電機矢量控制實驗平臺
總結
本文以開關式霍爾位置傳感器的工作原理與坐標變換為基礎，分析了霍爾信號不對稱對霍爾矢量頻譜產生的影響，提出了基于霍爾矢量相位跟蹤的PMSM轉子位置與速度估算方法。主要得到以下結論：
- 1）采用本文所提方法估算的高分辨率轉子位置連續平滑，具有良好的動態效應，電機穩速時的轉速估算誤差控制在0.5%以內。
- 2）采用自適應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象，有效降低了霍爾位置傳感器安裝不對稱及電機磁極不對稱引起的轉子位置與速度估算誤差，彌補了電機加工工藝的缺陷。
- 3）該方法適用于安裝有三相開關式霍爾位置傳感器的永磁電機。采用該方法估算轉子位置與速度不需要電機的相電阻、相電感等參數，可靠性強。
