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《光伏發(fā)電出力預(yù)測技術(shù)研究綜述》等15篇優(yōu)秀論文入選《電工技術(shù)學(xué)報》2019年度優(yōu)秀論文，榮獲中國電工技術(shù)學(xué)會表彰?，F(xiàn)將部分獲獎?wù)撐牡奈恼潞唸蠓窒斫o各位讀者，以期促進(jìn)本領(lǐng)域的技術(shù)交流。

永磁同步電機因其具有體積小、重量輕、能量密度高和運行可靠性高等優(yōu)點而逐漸成為交流調(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。

 

對電機進(jìn)行高性能控制首先需要獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，開關(guān)式霍爾傳感器以其體積小、成本低、抗干擾性強的優(yōu)點通常應(yīng)用于無刷直流電機中，提供電機換相的參考信號。將開關(guān)式霍爾位置傳感器用于永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置檢測是一種能夠保證電機運行性能，同時降低系統(tǒng)成本的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)。

 

針對霍爾信號不對稱引起轉(zhuǎn)子位置速度估算誤差的問題，本文提出了基于霍爾矢量相位跟蹤（Hall vector phase tracking, HVPT）的轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法，有效地降低了霍爾信號不對稱所引起的估算誤差。

團(tuán)隊介紹

北京市高速磁懸浮電機技術(shù)及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心依托于北京航空航天大學(xué)組建，2013年5月被北京市科委正式認(rèn)定。本中心圍繞高端國防、節(jié)能減排等國家重大需求，設(shè)有磁懸浮微機電設(shè)計、芯片級控制系統(tǒng)研發(fā)、磁懸浮葉輪流體機械及測試等方向，主要研制先進(jìn)航天器磁懸浮慣性執(zhí)行機構(gòu)、超高真空磁懸浮分子泵、超高速微型磁懸浮壓縮機等，推動高速磁懸浮電機技術(shù)在航空航天、高端科學(xué)儀器及設(shè)備、節(jié)能環(huán)保裝備等領(lǐng)域取得標(biāo)志性成果。

韓邦成

1974出生，北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，教授、博士生導(dǎo)師。從事量子精密測量與傳感技術(shù)、高性能磁屏蔽與主動磁補償技術(shù)、磁懸浮慣性執(zhí)行機構(gòu)等技術(shù)。主持國家重大儀器專項課題、民用航天預(yù)研專項等20余項；發(fā)表SCI論文50余篇，授權(quán)發(fā)明專利40余項；獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎2項、省部級一等獎3項。

研究背景

圖1 三相霍爾輸出與電機轉(zhuǎn)子位置關(guān)系圖

圖2 三相霍爾傳感器估算位置及真實位置對比圖

對于三相開關(guān)式霍爾位置傳感器，一般將其按照120°間隔對稱安裝在永磁電機定子上。當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)一周時，霍爾傳感器的輸出信號為三路相位互差2π/3電角度的矩形波，且每路霍爾信號的邏輯0和邏輯1各占π電角度。如圖1所示，一個周期被劃分為6個π/3的霍爾區(qū)間I、II、III、IV、V、VI。因此，采用霍爾傳感器可以直接檢測到6個離散的轉(zhuǎn)子位置。

實際中，由于安裝工藝限制，電機磁極安裝的非對稱性或者霍爾傳感器存在安裝誤差均會導(dǎo)致霍爾傳感器的輸出信號與理想的位置信號存在偏差。如圖2所示，采用傳統(tǒng)T法估算的轉(zhuǎn)子速度出現(xiàn)偏差，同時利用速度進(jìn)行位置插值則會產(chǎn)生位置估算不連續(xù)，出現(xiàn)突變現(xiàn)象，造成電機轉(zhuǎn)矩波動，不利于電機的平穩(wěn)運行。

論文方法及創(chuàng)新點

圖3 霍爾矢量Hab及其分量ha和hb的波形

三相霍爾信號具有π/3的分辨率，為了更加清楚地了解霍爾信號與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，將其進(jìn)行式（1）坐標(biāo)變換：

式（1）

式（2）

式（3）

式（4）

同頻跟蹤濾波器傳遞函數(shù)如下：

式（5）

圖4 同頻跟蹤濾波器結(jié)構(gòu)框圖

圖5 正交鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

圖6 永磁同步電機矢量控制實驗平臺

為進(jìn)一步驗證霍爾矢量相位跟蹤方法的有效性，利用圖6所示的磁懸浮DN250CF型中抽速分子泵實驗平臺，其中磁懸浮DN250CF型分子泵所用的電機為1對磁極1kW永磁同步電機，在電機內(nèi)部安裝有三相開關(guān)式霍爾位置傳感器。

采用基于霍爾矢量相位跟蹤方法估算得到的電機轉(zhuǎn)子位置結(jié)果如圖7所示，采用基于霍爾矢量相位跟蹤方法估算的轉(zhuǎn)子位置平滑連續(xù)而且誤差小，不會出現(xiàn)相電流畸變現(xiàn)象，電流對稱性好，正弦度高。并且，當(dāng)電機起動加速時，也可以得到連續(xù)平滑且較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，電機的相電流波形理想，具有良好的動態(tài)性能。

圖7 采用本文方法的位置估算及相電流波形圖

結(jié)論

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)，提出了基于霍爾矢量相位跟蹤方法的永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法。

結(jié)果表明，采用基于霍爾矢量相位跟蹤的轉(zhuǎn)子位置速度估算方法，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)。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，有效降低了霍爾傳感器安裝不對稱及電機磁極不對稱引起的轉(zhuǎn)子位置速度估算誤差，彌補了電機加工工藝的缺陷。

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同步電機。采用該方法估算轉(zhuǎn)子位置速度不需要電機的相電阻、相電感等參數(shù)，可靠性強。

引用本文

趙遠(yuǎn)洋, 韓邦成, 陳寶棟. 基于霍爾矢量相位跟蹤的永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(15): 3147-3157. Zhao Yuanyang, Han Bangcheng, Chen Baodong. Speed and Rotor Position Estimation for PMSM Based on Hall Vector Phase-Tracking. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(15): 3147-3157.