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《光伏發(fā)電出力預(yù)測(cè)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(bào)》2019年度優(yōu)秀論文，榮獲中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)表彰。現(xiàn)將部分獲獎(jiǎng)?wù)撐牡奈恼潞?jiǎn)報(bào)分享給各位讀者，以期促進(jìn)本領(lǐng)域的技術(shù)交流。

永磁同步電機(jī)因其具有體積小、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(dòng)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(duì)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，開關(guān)式霍爾傳感器以其體積小、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)中，提供電機(jī)換相的參考信號(hào)。將開關(guān)式霍爾位置傳感器用于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是一種能夠保證電機(jī)運(yùn)行性能，同時(shí)降低系統(tǒng)成本的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)。

 

針對(duì)霍爾信號(hào)不對(duì)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(hào)不對(duì)稱所引起的估算誤差。

團(tuán)隊(duì)介紹

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(guó)防、節(jié)能減排等國(guó)家重大需求，設(shè)有磁懸浮微機(jī)電設(shè)計(jì)、芯片級(jí)控制系統(tǒng)研發(fā)、磁懸浮葉輪流體機(jī)械及測(cè)試等方向，主要研制先進(jìn)航天器磁懸浮慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)、超高真空磁懸浮分子泵、超高速微型磁懸浮壓縮機(jī)等，推動(dòng)高速磁懸浮電機(jī)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(cè)量與傳感技術(shù)、高性能磁屏蔽與主動(dòng)磁補(bǔ)償技術(shù)、磁懸浮慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)等技術(shù)。主持國(guó)家重大儀器專項(xiàng)課題、民用航天預(yù)研專項(xiàng)等20余項(xiàng)；發(fā)表SCI論文50余篇，授權(quán)發(fā)明專利40余項(xiàng)；獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

研究背景

圖1 三相霍爾輸出與電機(jī)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(shí)位置對(duì)比圖

對(duì)于三相開關(guān)式霍爾位置傳感器，一般將其按照120°間隔對(duì)稱安裝在永磁電機(jī)定子上。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，霍爾傳感器的輸出信號(hào)為三路相位互差2π/3電角度的矩形波，且每路霍爾信號(hào)的邏輯0和邏輯1各占π電角度。如圖1所示，一個(gè)周期被劃分為6個(gè)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(cè)到6個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置。

實(shí)際中，由于安裝工藝限制，電機(jī)磁極安裝的非對(duì)稱性或者霍爾傳感器存在安裝誤差均會(huì)導(dǎo)致霍爾傳感器的輸出信號(hào)與理想的位置信號(hào)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(shí)利用速度進(jìn)行位置插值則會(huì)產(chǎn)生位置估算不連續(xù)，出現(xiàn)突變現(xiàn)象，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，不利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖3 霍爾矢量Hab及其分量ha和hb的波形

三相霍爾信號(hào)具有π/3的分辨率，為了更加清楚地了解霍爾信號(hào)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(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中磁懸浮DN250CF型分子泵所用的電機(jī)為1對(duì)磁極1kW永磁同步電機(jī)，在電機(jī)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(jī)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(huì)出現(xiàn)相電流畸變現(xiàn)象，電流對(duì)稱性好，正弦度高。并且，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)加速時(shí)，也可以得到連續(xù)平滑且較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，電機(jī)的相電流波形理想，具有良好的動(dòng)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(jī)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(dòng)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(hào)不對(duì)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(duì)稱及電機(jī)磁極不對(duì)稱引起的轉(zhuǎn)子位置速度估算誤差，彌補(bǔ)了電機(jī)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(jī)。采用該方法估算轉(zhuǎn)子位置速度不需要電機(jī)的相電阻、相電感等參數(shù)，可靠性強(qiáng)。

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(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.