基于單霍爾傳感器的PMSM位置檢測(cè)方法

1、第 40卷 第 11期2008年 11月哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)JOURNAL OF HARB I N I N STI T UTE OF TECHNOLOGYVol 140No 111Nov . 2008基于單霍爾傳感器的 P M S M 位置檢測(cè)方法徐永向1, 2, 鄒繼明 2, 趙 猛 2, 姚 郁1(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 , 哈爾濱 150001, E 2mail:xuyxhit . edu . cn;2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 , 哈爾濱 150001摘 要 :為了解決永磁同步電機(jī)矢量控制需要高精度位置傳感器的問(wèn)題 , 提出了一種基于單個(gè)霍爾傳感器

2、的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法 . 對(duì)基于單個(gè)鎖定型霍爾元件的轉(zhuǎn)子位置 、 速度預(yù)估算法及其誤差進(jìn)行了 分析 , 為了提高動(dòng)態(tài)過(guò)程中的預(yù)估精度采用了一階速度預(yù)估 . 采用一路方波信號(hào)模擬霍爾輸出信號(hào)對(duì)該檢測(cè) 方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 . 最后將該方法用于一臺(tái)高速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng) , 實(shí)現(xiàn)了高速永磁同步電機(jī)的矢量控 制 . 實(shí)驗(yàn)證明該方法具有較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度 , 可工作于較寬的速度范圍 , 適合于永磁同步電機(jī)矢量控制 . 關(guān)鍵詞 :永磁同步電機(jī) ; 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) ; 轉(zhuǎn)速范圍 ; 矢量控制 中圖分類號(hào) :T M351文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :0367-6234(2008 -04A rotor p

3、ositi on s ba sedll sen sorXU xiang 1, 2, Z OU J i 2m ing 2, ZHAO Meng 2, Y AO Yu1(1. School of Electrical Engineering and Aut omati on, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150001, China, E 2mail:xuyxhit . edu . cn; 2. School of Aer os pace, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150001, Chin

4、a Abstract:A r ot or positi on detecting method based on single discrete Hall sens or is p r oposed f or vect or contr olof per manent magnet synchr onous mot ors (P MS M instead of a conventi onal high 2res oluti on positi on sens or . The digital arith metics of the r ot or positi on and the s pee

5、d esti m ati on were p r oposed, and the esti m ati on err or was analyzed . The first 2order hold method was used t o i m p r ove the dyna m ic esti m ati on p recisi on . The detec 2ti on method was validated by ex peri m ents with a square wave instead of the out put of the Hall senor . Vect or c

6、ontr ol of a high 2s peed P MS M was achieved with this method . Ex peri m ental results show this method has high steady and dyna m ic p recisi on in a wide s peed range, and the method is suitable for vect or contr ol of P MS M s . Key words:P MS M; detecti on of r ot or positi on; s peed range; v

7、ect or contr ol收稿日期 :2007-01-26.作者簡(jiǎn)介 :徐永向 (1977 , 男 , 博士 , 副教授 ;姚 郁 (1963 , 男 , 教授 , 博士生導(dǎo)師 . 永磁同步電機(jī) (P MS M 具有效率高 、 噪音低 、 運(yùn)行可靠 、 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小 、 控制特性良好等優(yōu)點(diǎn) , 在 國(guó)防 、 工業(yè) 、 家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 . 傳 統(tǒng)的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中需要高精度轉(zhuǎn) 子位置傳感器 , 但在一些場(chǎng)合受到空間或成本的 限制 , 如在高速電機(jī)中受到空間的限制 , 在洗衣機(jī) 驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)中受到成本的限制 . 鎖定型霍 爾元件具有體積小 、 價(jià)格低 、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)

8、點(diǎn) , 常 用于方波無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) . 近年來(lái) , 將鎖定型霍爾元 件 用 于 正 弦 波 驅(qū) 動(dòng) 引 起 了 人 們 高 度 重視 15, 這些方案是采用三個(gè)或兩個(gè)鎖定型霍爾 元件 . 但采用單個(gè)鎖定型霍爾元件作位置和速度 傳感器可以使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單 , 而且無(wú)正交誤 差 6, 7.本文提出了一種新型的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位 置檢測(cè)方法 , 在定子上安裝一個(gè)鎖定型霍爾元件 , 經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算 , 從中可以同時(shí)提取出較高精度轉(zhuǎn) 子位置信號(hào)和速度信號(hào) . 對(duì)基于單個(gè)鎖定型霍爾 元件的轉(zhuǎn)子位置和速度預(yù)估算法進(jìn)行了分析 , 為 了提高動(dòng)態(tài)過(guò)程中的預(yù)估精度采用了一階速度預(yù) 估 . 基于該位置檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)

9、了一臺(tái)高速永磁同步電機(jī)的全數(shù)字化矢量控制 .1 基于單個(gè)霍爾傳感器的位置檢測(cè) 原理 由于鎖定型霍爾元件是雙極觸發(fā)元件 , 所以 通常鎖定型霍爾元件的導(dǎo)通時(shí)間等于截止時(shí)間 , 脈沖波形是占空比為 50%的方波 , 它具有良好的 穩(wěn)定性和可靠性 . 在不考慮安裝誤差的情況下 , 鎖 定型霍爾元件的輸出的上升沿和下降沿代表轉(zhuǎn)子 位置為 0和 , 如果角速度 已知 , 便能計(jì)算出每 個(gè)時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置值 . 假設(shè)在相鄰的上升沿與下 降沿之間的轉(zhuǎn)速保持不變 , 可以通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)上 升沿或兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速 . 由 于速度采樣頻率與速度成正比 , 低速時(shí)采樣頻率 較小 , 這會(huì)影響電機(jī)的起動(dòng)和

10、低速性能 . 為了提高 速度的采樣頻率 , 通過(guò)檢測(cè)相鄰的上升沿與下降 沿之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速 . 位置估計(jì)原理如圖 1所示 . 根據(jù)估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置 ,電機(jī)的矢量控制 . 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行且 I載反電勢(shì)同相位 . 當(dāng) , 記錄下時(shí)間 T . 在這一區(qū)間內(nèi) , :=/T. (1 圖 1 位置估計(jì)示意圖根據(jù)檢測(cè)到的平均速度進(jìn)行當(dāng)前速度和當(dāng) 前轉(zhuǎn)子位置預(yù)估 . 假設(shè)預(yù)估的角速度為 est, 那么 在 t 時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置可以用以下公式進(jìn)行預(yù)測(cè)e= t t 0est d t . (2 當(dāng)霍爾元件安裝位置有偏差時(shí) , 即霍爾元件 的上升沿和下降沿不是正好對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置為 0和, 而是對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置為 err 和 (

11、err+ , 這個(gè)位置偏差需要補(bǔ)償 . 由于采用 DSP , 只需在軟件中計(jì)算轉(zhuǎn)子位置時(shí)加上偏差 err 即可 .2 實(shí)現(xiàn)算法與動(dòng)態(tài)誤差分析211 零階保持法假設(shè)電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn) , 下一個(gè)區(qū)間的速度就等 于上一區(qū)間的速度 , 即采用零階保持法 , 下一個(gè)周 期的位置就表示為e=0+ n ×t. (3式中 :為霍爾中斷時(shí)的電角度 ; t 為從霍爾中斷開 始計(jì)數(shù)的時(shí)間 ;n為上一個(gè)區(qū)間的平均電角速度 . 212 動(dòng)態(tài)誤差分析設(shè)電機(jī)作勻變速運(yùn)動(dòng) , 電角加速度為 a, 如圖 2所示 , 0為 t =0(當(dāng)前霍爾邊沿時(shí)刻 時(shí)的電角速度 , n為前一個(gè)周期的平均角速度 . t-1為上一個(gè)霍爾邊沿

12、時(shí)刻 , t1 下一個(gè)霍爾邊沿時(shí)刻 .圖 2 勻加速時(shí)電角速度與位置的關(guān)系示意圖 實(shí)際轉(zhuǎn)子位置為e=0+0t +2a t 2. (4 轉(zhuǎn)子位置誤差為D=(0- n ×t +2a t 2. (5當(dāng) t =t1時(shí) , 存在最大值D max=- n t 1. (6式中 :在 t =t-1和 t =t1時(shí)刻 , 分別有 (t -1= -和 (t 1 =, 這樣根據(jù)式 (4 可以得到 t -1=-0+20-2a a, (7 t 1=-0+20+2a a, (8n =2(0+20-2a . (9 將式 (7 (9 代入式 (6 得D max=2+2a -2-2a 2+2a +0. (10 不同加

13、速度時(shí) , 估計(jì)誤差的最大值隨電機(jī)轉(zhuǎn) 速和變化曲線如圖 3所示 . 從式 (10 和圖 3可以 看出 , 估計(jì)誤差的最大值是電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度的771 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 40卷 函數(shù) , 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速減小或加速度增大的時(shí)候 , 估計(jì)誤差的最大值 max 都將增大 . 在中 、高速區(qū) , 可以 得到較準(zhǔn)確精確的轉(zhuǎn)子位置信息和速度信息 . 但 在電機(jī)起動(dòng)時(shí)或者低速運(yùn)行時(shí) , 上述的方法將會(huì) 產(chǎn)生比較大的誤差 . 為了提高系統(tǒng)的性能和起動(dòng) 的可靠性 , 有必要對(duì)加速度進(jìn)行預(yù)估 , 以便在全速 范圍內(nèi)得到更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息和速度信息. 圖 3 最大電角度誤差213 改進(jìn)算法, ,

14、即認(rèn)為下 . 電機(jī)的平均電角加速度可以表示為a =n - n -1(T n +T n -1 /2. (11 式中 : n 為前一區(qū)間的平均電角速度 ; n -1為前 兩區(qū)間的平均電角速度 ; T n 為前一區(qū)間的周期 ;T n -1為前兩區(qū)間的周期 .下一區(qū)間的電角速度和轉(zhuǎn)子位置可表示為= n +a (T n /2+t ,(12 =0+ n t +2aT n t +2a t 2. (13相鄰兩個(gè)霍爾邊沿之間的位置差為 , 為了 防止預(yù)估的電角速度過(guò)大引起太大的轉(zhuǎn)子位置誤 差 , 在霍爾中斷之前 , 設(shè)定一個(gè)位置極限值 .3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 本文基于 TI 公司的 T MS320LF2407A , 對(duì)

15、轉(zhuǎn) 子位置和速度進(jìn)行了預(yù)估 . 將霍爾輸出信號(hào)接到 DSP 的外部中斷口和 I O 口 , 同時(shí)檢測(cè)霍爾輸出信號(hào)的上升沿和下升沿 , 通過(guò)精確測(cè)量霍爾輸出信號(hào)相鄰邊緣的周期 , 根據(jù)式 (11 (13 就可以通 過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)速度和位置的預(yù)估 .采用 DSP 實(shí)現(xiàn)后 , 可以對(duì)高速和低速時(shí)的位 置進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估 , 安裝誤差可以精確補(bǔ)償 , 并且可 以通過(guò)速度和加速度的預(yù)估來(lái)提高位置估計(jì)的動(dòng)態(tài)精度 . 一般情況下 , 加速度不太大 , 波形不明顯 . 用一路方波信號(hào)代替霍爾輸出信號(hào) , 方波信號(hào)的 頻率變化與速度變化成正比 . 霍爾頻率為 10Hz 和 1kHz 時(shí)的轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖 4、 5所示 .

16、 由于 P WM 頻 率為 20kHz, 每個(gè) P WM 周期內(nèi) , D /A轉(zhuǎn)換更新一 次 . 當(dāng)霍爾頻率為 10Hz 時(shí) , 一個(gè)霍爾周期內(nèi) D /A轉(zhuǎn)換更新 2000次 , 所以預(yù)估的轉(zhuǎn)子位置的輸出 曲線成直線變化 ; 當(dāng)霍爾頻率為 1kHz 時(shí) , 一個(gè)霍 爾周期內(nèi) D /A轉(zhuǎn)換只更新 20次 , 所以預(yù)估的轉(zhuǎn) 子位置的輸出曲線成階梯上升 . 加速過(guò)程中轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的結(jié)果如圖 6所示 . 由于采用一 階保持法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了預(yù)估 , 可以對(duì)勻加速和勻 減速過(guò)程中的轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)進(jìn)行較準(zhǔn)確的 估計(jì).圖 4 頻率為 10Hz時(shí)的預(yù)估結(jié)果圖 5 頻率為 1kHz時(shí)的預(yù)估結(jié)果圖 6 加速過(guò)

17、程中的預(yù)估結(jié)果4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)將該 位 置 檢 測(cè) 方 法 應(yīng) 用 于 一 臺(tái) 2對(duì) 極 、 313k W 、 30000r/min 的高速永磁同步電機(jī)中 , 電 機(jī)轉(zhuǎn)速為 5000r/min 、 轉(zhuǎn)矩為 015N m 時(shí)繞組 電流波形如圖 7所示 . 由于霍爾元件放在齒旁 , 檢 測(cè)轉(zhuǎn)子漏磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置 , 漏磁場(chǎng)分布不對(duì) 稱 , 霍爾輸出波形不對(duì)稱 , 位置檢測(cè)有誤差 , 加上 逆變器死區(qū)的影響 , 繞組電流有一些畸變 . 實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明了該位置檢測(cè)方法的可行性 .圖 75 結(jié) 論1 提出的位置檢測(cè)方法可行 , 適合于對(duì)低速 性能要求不高的永磁同步電機(jī)矢量控制的需要 . 2 該檢測(cè)方法能適

18、應(yīng)較寬的速度范圍 . 參考文獻(xiàn) :1BATZE L T D, LEE K Y . Sl otless per manent magnet synchr onous mot or operati on without a high res oluti on r ot or angle sens or J .I EEE Trans on Energy Conver 2 si on, 2000, 15(4 :366-371.2MOR I M OT O S, S ANADA M , T AKE DA Y . Sinus oidal current drive syste m of per manent

19、 synchr onous mot or with l ow res oluti on positi on sens orC /Proc1996I EEE I A S Annual M eeting . San D iego, CA, US A:s . n . , 1996:9-14.3OH I SH I K, OG AWA Y, DOH MAKI H. A s peed contr ol method f or a P M mot or using a s peed observer and a l ow 2res oluti on encoder J .Electrical Enginee

20、ring in Japan, 2003, 143(1 :66-75.4MOR I M OT O S, S ANADA M, T AKE DA Y . H igh 2per 2 f or current 2f or P MS M and synR M with l o w orJ .I EEE Trans I 39(3 :792-800. . 準(zhǔn)無(wú)位置傳感器永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)中霍爾傳感器位置檢測(cè)誤差的分析及解決方 案 J .中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) , 2004, 24(1 :168-173. 6鄒繼斌 , 徐永向 , 于成龍 . 正弦波無(wú)刷直流電機(jī)的新 型轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法 J .中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) , 2002, 22(2 :47-49.7徐永向 . 單霍爾傳感器高速永磁同步電機(jī)的控制與 轉(zhuǎn)子損 耗 研 究 D .哈 爾 濱 :哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) , 2005. (編輯 趙麗瑩 (上接第 1768頁(yè) 4 結(jié) 論1 本文根據(jù)熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論 , 建立了雷 達(dá)艙傳熱的數(shù)學(xué)模型 , 并使用熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算了雷 達(dá)艙瞬態(tài)熱載荷 , 計(jì)算結(jié)果表明 , 所建數(shù)學(xué)模型和 使用的計(jì)算方法是適用的 .2 隨飛行時(shí)間的增長(zhǎng) , 初始溫度對(duì)艙內(nèi)氣流 溫度的影響很快衰減 , 而對(duì)艙內(nèi)設(shè)備溫度的影響 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng) ; 對(duì)相差 50K 的不同初始溫度 , 飛 行 5000s