朱孟美，張 云，解兆延，尹 偉，慕永云，趙 波

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所 汽車(chē)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250014)

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基于霍爾位置傳感器的電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的控制

朱孟美，張 云，解兆延，尹 偉，慕永云，趙 波

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所 汽車(chē)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250014)

介紹了采用低分辨率霍爾位置傳感器估算轉(zhuǎn)子角度和轉(zhuǎn)速的基本原理，提出了在永磁同步電機(jī)(PMSM)中應(yīng)用的一種轉(zhuǎn)子角度慢校正控制方法，能有效減小電流的波動(dòng)，利于電流的平滑控制。在基于數(shù)字信號(hào)控制器STM32F103RBT6的硬件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)正弦波矢量控制，角度慢校正的方法能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

永磁同步電機(jī)； 霍爾位置傳感器； 矢量控制； 角度慢校正

0 引 言

隨著能源短缺的日益凸顯以及環(huán)境污染的日益惡化，電動(dòng)汽車(chē)作為一種使用電能驅(qū)動(dòng)的新能源汽車(chē)，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。電動(dòng)汽車(chē)以車(chē)載電源為動(dòng)力，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，具有低噪聲、零排放、無(wú)污染的突出優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前能源短缺以及人們對(duì)環(huán)境要求下的必然產(chǎn)物。目前，電動(dòng)汽車(chē)所采用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四種。其中，PMSM因功率密度大、效率高、轉(zhuǎn)子損耗小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更優(yōu)的綜合指標(biāo)，是電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想選擇，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

對(duì)于PMSM的控制精度，在很大程度上取決于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的精度。傳統(tǒng)的獲取轉(zhuǎn)子位置的方法是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等高分辨率位置傳感器實(shí)現(xiàn)的。這些高分辨率的位置傳感器是與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接的，由于轉(zhuǎn)子機(jī)械位置與轉(zhuǎn)子的磁通位置相同，因此通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置，就夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地獲得高分辨率轉(zhuǎn)子的磁通位置。為減小位置檢測(cè)的成本，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)得到發(fā)展。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)無(wú)傳感器控制技術(shù)進(jìn)行了分析，通過(guò)檢測(cè)電流、電壓等變量，結(jié)合電機(jī)本身參數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計(jì)，但其控制算法復(fù)雜，對(duì)參數(shù)要求高，且無(wú)法適用于全速范圍。因此，基于低分辨率位置傳感器的方案成為一種兼顧成本與性能的選擇。低分辨率位置傳感器常用的有開(kāi)關(guān)型霍爾元件，具有成本低、體積小、安裝簡(jiǎn)便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但其輸出位置信號(hào)分辨率低，每個(gè)電周期只能提供6個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置信號(hào),無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)，不能滿(mǎn)足正弦波驅(qū)動(dòng)的要求。

本文主要研究通過(guò)對(duì)低分辨率位置傳感器信號(hào)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速及估算轉(zhuǎn)子位置，提出的角度慢校正的控制方法能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 霍爾元件檢測(cè)位置原理

PMSM在定子側(cè)互差120°電角度的位置安裝3個(gè)霍爾元件，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生相位相差120°的方波信號(hào)。本控制系統(tǒng)中使用的是單極性霍爾元件，僅在轉(zhuǎn)子磁極為S極時(shí)輸出高電平，其他時(shí)候輸出低電平。PMSM轉(zhuǎn)子逆時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，3個(gè)霍爾元件的輸出信號(hào)如圖1所示。

圖1 電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)

從圖1可知，霍爾信號(hào)高電平和低電平時(shí)間不對(duì)稱(chēng)，高電平時(shí)間略長(zhǎng)于低電平時(shí)間，這是由于霍爾元件為單極性的緣故。

為獲取轉(zhuǎn)子角度，首先需要確定轉(zhuǎn)子角度為零時(shí)對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)情況。給電機(jī)的繞組通小于額定電流的直流電流，使電機(jī)轉(zhuǎn)子定向，通過(guò)該方法來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置和霍爾信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)際中將電機(jī)的A相接電源正極，BC兩相并在一起后接電源負(fù)極，通入小于額定電流的直流電流，在無(wú)外力作用下，定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁極永磁場(chǎng)相互作用，最終定位至互差0°相位的平衡位置上，此時(shí)為A相軸線位置，轉(zhuǎn)子角度為零。零位確定以后，根據(jù)霍爾信號(hào)順序，得出霍爾信號(hào)與轉(zhuǎn)子角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 霍爾信號(hào)與轉(zhuǎn)子角度關(guān)系

通過(guò)讀取的霍爾信號(hào)可以得到轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，但這樣只能確定轉(zhuǎn)子所在的區(qū)間，并不能確定轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，不能滿(mǎn)足永磁同步電機(jī)矢量控制的要求。因此，還需要根據(jù)轉(zhuǎn)速情況對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。

2 轉(zhuǎn)速計(jì)算

為估算轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)角度，需進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算。因本控制器電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，不是很高，故采用T法測(cè)速。所謂T法測(cè)速，就是用一個(gè)已知頻率的高速時(shí)鐘脈沖對(duì)位置傳感器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而得到位置傳感器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的時(shí)間間隔，并由此來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。因測(cè)速時(shí)間源于位置傳感器輸出脈沖的周期，所以又稱(chēng)為周期法。

本控制器的硬件平臺(tái)是基于數(shù)字信號(hào)控制器STM32F103RBT6實(shí)現(xiàn)的。STM32的定時(shí)器可配置為輸入捕獲模式，在該模式下，當(dāng)檢測(cè)到霍爾傳感器發(fā)生設(shè)定的邊沿跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值被鎖存到捕獲/比較寄存器中，通過(guò)該計(jì)數(shù)值及計(jì)數(shù)器的頻率，即可得到計(jì)時(shí)時(shí)間，進(jìn)而得出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：fclk——計(jì)數(shù)器的頻率；

P——電機(jī)轉(zhuǎn)一圈輸出的霍爾脈沖數(shù)；

M——計(jì)數(shù)器的值。

盡管用定時(shí)器測(cè)轉(zhuǎn)速的原理很簡(jiǎn)單，但在測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間時(shí)，存在半個(gè)時(shí)間單位的問(wèn)題，最大可能會(huì)有2個(gè)時(shí)間單位的誤差，為此，若想得到更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量將時(shí)間單位設(shè)得小一些。但在低速時(shí)，兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，16位的計(jì)數(shù)器會(huì)出現(xiàn)溢出。所以，合理設(shè)置定時(shí)器的時(shí)間單位，保持最佳的分辨率對(duì)轉(zhuǎn)速計(jì)算至關(guān)重要。

定時(shí)器為保持最佳的分辨率，在運(yùn)行時(shí)需要不斷調(diào)整定時(shí)器的時(shí)鐘分頻。其基本原理如下：如果捕獲的值太低了就加快定時(shí)器；如果溢出了就放慢定時(shí)器。在捕捉中斷中修改預(yù)分頻器，利用緩存的優(yōu)勢(shì)，只有在下次發(fā)生捕捉事件時(shí)才更新預(yù)分頻的值，而不會(huì)影響到當(dāng)次捕獲的測(cè)量。具體原理如圖2所示。

圖2 輸入捕獲定時(shí)器的分頻設(shè)置

通過(guò)不斷調(diào)整定時(shí)器的分頻，使得計(jì)時(shí)時(shí)間更為精確，計(jì)算的轉(zhuǎn)速也更為精確，有益于轉(zhuǎn)子角度的準(zhǔn)確估算。

3 轉(zhuǎn)子角度實(shí)時(shí)估算

在獲得6個(gè)離散的準(zhǔn)確校正角度及電機(jī)轉(zhuǎn)速后，接下來(lái)就是估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)角度。根據(jù)電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)的特點(diǎn)，認(rèn)為電機(jī)在單個(gè)角度區(qū)間的轉(zhuǎn)速是均勻的，因此可以利用上一時(shí)刻計(jì)算的轉(zhuǎn)速估計(jì)電機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，從而計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)子的角度[10]。轉(zhuǎn)子角度估算示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子位置估算示意圖

圖3中θi-1、θi、θi+1為霍爾信號(hào)對(duì)應(yīng)的校正值。假設(shè)上一扇區(qū)的平均轉(zhuǎn)速為ω，當(dāng)前轉(zhuǎn)子的角度θt等于該扇區(qū)的起始角度θi加上從θi旋轉(zhuǎn)到θt的角度，計(jì)算式為

θt=θi+ωkT

(2)

式中：T——斬波周期；k——ti到t的斬波周期次數(shù)。

通過(guò)式(2)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子角度。由于轉(zhuǎn)速計(jì)算誤差等原因的存在，當(dāng)霍爾信號(hào)發(fā)生邊沿捕獲時(shí)，如果不考慮計(jì)算角度與校正值(真實(shí)角度)的偏差，強(qiáng)行將角度校正到校正值，可能造成角度的階躍變化，這樣勢(shì)必會(huì)引起電壓矢量的突變，造成電流波動(dòng)。

本文提出了一種轉(zhuǎn)子角度慢校正的方法：當(dāng)計(jì)算的角度與霍爾對(duì)應(yīng)的校正值存在偏差時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速情況，在1/8電周期內(nèi)均勻地補(bǔ)償回去，既保證了校正的及時(shí)性，又保證了轉(zhuǎn)子角度的連貫性，就能避免轉(zhuǎn)子角度的大幅度變化造成的電流波動(dòng)，有利于電機(jī)的穩(wěn)定控制。具體校正方法如圖4所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本控制系統(tǒng)所用電機(jī)為一臺(tái)安裝3個(gè)霍爾位置傳感器的PMSM，額定電壓為48V，功率為4kW，電機(jī)極對(duì)數(shù)為5。硬件驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是基于數(shù)字信號(hào)控制器STM32F103RBT6實(shí)現(xiàn)的。在此硬件平臺(tái)上，分別采用強(qiáng)制校正和慢校正兩種方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，試驗(yàn)結(jié)果如下。

圖5為兩種不同控制方法下的角度情況，為了更清楚地對(duì)比兩種校正，將圖像進(jìn)行局部放大，如圖5(b)所示。強(qiáng)制校正在霍爾邊界處將角度直接校正為正確值，轉(zhuǎn)子角度變化較大；慢校正的轉(zhuǎn)子角度則是經(jīng)過(guò)1/8電周期校正到正確值，盡管在短時(shí)間內(nèi)存在角度不準(zhǔn)的情況，但避免了角度的較大變化，有利于電機(jī)的穩(wěn)定控制。

兩種不同校正方式下的相電流波形如圖6所示。

圖4 轉(zhuǎn)子角度慢校正

圖5 兩種校正方法下的角度

圖6中通道1和通道4檢測(cè)的是A、B兩相相電流波形。從圖6(a)可知，強(qiáng)制校正轉(zhuǎn)子角度控制下，區(qū)間切換時(shí)轉(zhuǎn)子角度發(fā)生階躍變化，導(dǎo)致電流波形畸變較大，不利于電流的正弦波控制，電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)；而慢校正則很好地避免了轉(zhuǎn)子角度的突變問(wèn)題，如圖6(b)所示，電流波形平滑且更接近正弦波，有效地減小了電流波動(dòng)，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，此種方法控制下電機(jī)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)。

圖6 強(qiáng)制校正和慢校正相電流波形對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

使用開(kāi)關(guān)型霍爾元件作為位置傳感器，具有成本低、簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。為提高轉(zhuǎn)速估算的精度，對(duì)定時(shí)器的時(shí)鐘分頻進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，保證最佳分辨率。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，角度慢校正的控制方法能有效減小電流波動(dòng)，利于電機(jī)的矢量控制，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，適合應(yīng)用于以PMSM作為驅(qū)動(dòng)元件的電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)中。

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引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 報(bào)道經(jīng)典實(shí)用案例 反映行業(yè)最新動(dòng)態(tài)

Controlling of Permanent Magnet Synchronous Motor in Electric Vehicle with Hall Position Sensors

ZHUMengmei,ZHANGYun,XIEZhaoyan,YINWei,MUYongyun,ZHAOBo

(Key Laboratory of Automotive Electronic Technology,Institute of Automation Shandong Academy of Sciences, Ji’nan 250014, China)

Using low-resolution hall position sensor to estimate the rotor angle and speed was introduced. A control method of rotor angle slowed correction was proposed, this method could effectively reduce the current fluctuations, which was conducive to the smooth control of the current. In the hardware platform based on the digital signal controller STM32F103RBT6, the sine wave vector control was realized. Slow angle correction method could effectively suppress the torque ripple, and the motor run smoothly.

permanent magnet synchronous motor(PMSM); hall position sensor; vector control; angle slow correction

朱孟美(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)11- 0023- 05

2016-04-07