- 頭條《電工技術學報》優秀論文｜永磁同步電機轉子位置與速度估算方法2021-12-09 作者：趙遠洋 韓邦成 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語《電工技術學報》2019年度優秀論文獲獎論文簡報
《光伏發電出力預測技術研究綜述》等15篇優秀論文入選《電工技術學報》2019年度優秀論文，榮獲中國電工技術學會表彰。現將部分獲獎論文的文章簡報分享給各位讀者，以期促進本領域的技術交流。
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，開關式霍爾傳感器以其體積小、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永磁同步電機的轉子位置檢測是一種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。
針對霍爾信號不對稱引起轉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。
團隊介紹
北京市高速磁懸浮電機技術及應用工程技術研究中心依托于北京航空航天大學組建，2013年5月被北京市科委正式認定。本中心圍繞高端國防、節能減排等國家重大需求，設有磁懸浮微機電設計、芯片級控制系統研發、磁懸浮葉輪流體機械及測試等方向，主要研制先進航天器磁懸浮慣性執行機構、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在航空航天、高端科學儀器及設備、節能環保裝備等領域取得標志性成果。
韓邦成
1974出生，北京航空航天大學前沿科學技術創新研究院，教授、博士生導師。從事量子精密測量與傳感技術、高性能磁屏蔽與主動磁補償技術、磁懸浮慣性執行機構等技術。主持國家重大儀器專項課題、民用航天預研專項等20余項；發表SCI論文50余篇，授權發明專利40余項；獲國家技術發明二等獎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子位置關系圖
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。當電機旋轉一周時，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T法估算的轉子速度出現偏差，同時利用速度進行位置插值則會產生位置估算不連續，出現突變現象，造成電機轉矩波動，不利于電機的平穩運行。
論文方法及創新點
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子位置的關系，將其進行式（1）坐標變換：
式（1）
式（2）
式（3）
式（4）
同頻跟蹤濾波器傳遞函數如下：
式（5）
圖4 同頻跟蹤濾波器結構框圖
圖5 正交鎖相環結構框圖
圖6 永磁同步電機矢量控制實驗平臺
為進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，在電機內部安裝有三相開關式霍爾位置傳感器。
采用基于霍爾矢量相位跟蹤方法估算得到的電機轉子位置結果如圖7所示，采用基于霍爾矢量相位跟蹤方法估算的轉子位置平滑連續而且誤差小，不會出現相電流畸變現象，電流對稱性好，正弦度高。并且，當電機起動加速時，也可以得到連續平滑且較為準確的轉子位置，電機的相電流波形理想，具有良好的動態性能。
圖7 采用本文方法的位置估算及相電流波形圖
結論
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，提出了基于霍爾矢量相位跟蹤方法的永磁同步電機轉子位置與速度估算方法。
結果表明，采用基于霍爾矢量相位跟蹤的轉子位置速度估算方法，估算的高分辨率轉子位置連續平滑，具有良好的動態效應。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，有效降低了霍爾傳感器安裝不對稱及電機磁極不對稱引起的轉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式霍爾位置傳感器的永磁同步電機。采用該方法估算轉子位置速度不需要電機的相電阻、相電感等參數，可靠性強。
引用本文
趙遠洋, 韓邦成, 陳寶棟. 基于霍爾矢量相位跟蹤的永磁同步電機轉子位置與速度估算方法[J]. 電工技術學報, 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.
