陳澤平, 史艷霞, 魏海峰, 苗奎星

基于霍爾傳感器的PMSM低速區(qū)間相電流相位矯正

陳澤平1, 史艷霞2, 魏海峰3, 苗奎星3

(1. 天津科技大學 電子信息與自動化學院, 天津, 300222; 2. 天津中德應用技術大學 智能制造學院, 天津, 300350; 3.江蘇科技大學 電子信息學院, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212000)

針對水下航行器推進系統(tǒng)中永磁同步電機(PMSM)三相電流由于系統(tǒng)內(nèi)部軟件延時導致重構后相電流發(fā)生滯后的問題, 分別對PMSM低速運行過程中三相電流合成矢量的角度與轉子位置估算角度進行原理分析, 提出了一種將2種角度進行數(shù)據(jù)融合得到最優(yōu)估計角度的方法, 從而矯正相電流相位。首先, 在電機低速運行過程中對三相電流進行卡爾曼濾波; 然后利用三相電流幅值計算合成矢量的角度; 再采用平均速度補償?shù)姆椒p小霍爾傳感器本身存在的位置偏差; 接著采用轉子位置估算的方法得到轉子位置; 最后利用合成矢量角度和轉子角度進行數(shù)據(jù)融合得到的最優(yōu)角度對三相電流相位進行矯正, 重構三相定子電流值。試驗結果顯示, 基于霍爾傳感器的PMSM相電流相位矯正方法能增強傳統(tǒng)PMSM控制系統(tǒng)的抗干擾性, 使得重構后的三相電流值更加接近真實值。

水下航行器; 永磁同步電機; 三相電流; 轉子; 相位矯正

0 引言

推進電機是水下航行器的重要組成部分, 由于水下航行器空間有限、運行情況復雜, 選用空間占用小、響應速度快、節(jié)能高效的推進電機對水下航行器具有重要意義[1]。在永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor, PMSM)矢量控制系統(tǒng)中, 電流采集模塊采集到的定子相電流是否準確, 直接影響系統(tǒng)性能的可靠性[2-6]。但由于PMSM具有調速范圍大和運轉速度快的特征, 且其本身不能取得理想的正弦氣隙磁場, 這些都促使矢量控制系統(tǒng)中采樣的相電流包含不規(guī)律的高次諧波以及環(huán)境干擾, 再加上矢量控制系統(tǒng)中軟件延時的存在, 使得相電流重構后與真實值誤差較大。因此, 如何提高相電流重構后的精確性對于PMSM矢量控制系統(tǒng)至關重要[4]。

為了對控制器中電流采集模塊獲得的相電流進行處理, 文獻[7]～[9]使用卡爾曼濾波將轉子角加速度以及電流采集值進行數(shù)據(jù)融合, 從而得到精確的三相電流, 這種方法能夠對電機這種非平穩(wěn)系統(tǒng)的隨機過程進行估計, 針對電流采集模塊的采集值在環(huán)境的隨機干擾下進行最優(yōu)估計, 最終得到平滑的三相電流曲線。文獻[10]～[12]根據(jù)矢量合成的方法將三相電流合成一個隨時間和空間變化的旋轉磁場, 由于旋轉磁場的空間磁鏈近乎圓形, 所以電機轉矩輸出更加穩(wěn)定。在現(xiàn)實情況應用下, 存在PMSM本身工藝限制、安裝霍爾傳感器的手工偏差等不可避免的誤差都會給霍爾傳感器輸出錯誤信號, 為了降低因手工安裝霍爾傳感器造成的誤差, 文獻[13]～[15]提出了一種平均速度補償?shù)姆椒▽魻杺鞲衅鞔嬖诘奈恢闷钸M行補償, 適用于電機轉矩波動不大的場合。其還提出了一種基于霍爾傳感器矢量相位跟蹤的PMSM轉子位置和速度估算方式, 通過這種方法可以得到電機轉子的位置信息。由于三相電流合成的磁場矢量控制著轉子運轉, 而轉子位置角度又是三相電流合成的磁場矢量的體現(xiàn), 因此可以通過融合2種角度得到最優(yōu)估計角度對重構后的相電流進行相位矯正。文獻[16]提出了數(shù)據(jù)融合的方式, 根據(jù)實際需要采取恰當?shù)臉颖玖窟M行數(shù)據(jù)融合, 并隨著系統(tǒng)運行不斷更新樣本量進行迭代計算, 這種算法軟件成本較低, 且易于實現(xiàn)。

文中提出了一種基于霍爾傳感器的PMSM低速區(qū)間相電流相位矯正的方法。首先, 為了獲得足夠精確的三相電流值, 對采集的三相電流進行卡爾曼濾波處理; 再通過分析三相電流以及三相電流合成矢量之間的關系, 得到合成矢量的角度; 然后, 通過平均速度補償?shù)姆绞綄MSM內(nèi)部霍爾傳感器本身存在的位置偏差進行補償; 接著結合轉子位置估算的原理得到轉子位置的角度; 最后, 通過數(shù)據(jù)融合的方式, 將合成矢量的角度以及轉子位置的角度進行數(shù)據(jù)融合并得到最優(yōu)的估計角度, 利用最優(yōu)估計角度以及合成矢量的膜值重構三相電流, 從而達到對相電流矯正的作用。在此算法的基礎上, 以一臺裝有霍爾傳感器的PMSM作為實驗對象, 在電機運轉的低速區(qū)間, 通過軟件延時的方法模擬三相定子電流同時發(fā)生滯后的問題, 使用數(shù)模轉換模塊將合成矢量角度、轉子位置角度以及矯正后的合成矢量角度輸出并進行比較, 驗證該方法的可行性和實用性。

1 三相電流采樣和相位偏差分析

1.1 三相電流采樣及矢量合成

PMSM矢量控制技術的一個關鍵環(huán)節(jié)是相電流的采集和重構, 相電流的采集方式包括電流互感器測量法、分流電阻法等。鑒于成本和易用性, 目前應用較多的相電流采集方式是電阻采樣, 包括單電阻法、雙電阻法以及三電阻法。文中相電流采集方法采用三電阻法, 如圖1所示。

圖1 三電阻采樣框圖

三相正弦電流合成將產(chǎn)生一個旋轉磁場, 該磁場是隨時間和空間變化的多變量系統(tǒng)

1.2 三相電流相位偏差

圖2 三相電流發(fā)生滯后

2 三相電流濾波和矢量合成角度

2.1 三相電流濾波處理

PMSM在運轉過程中, 通過電流采集模塊直接采集到的三相電流原始值中包含紋波和噪聲, 不能用來進行三相電流矢量合成分析, 為了提高控制器采集的電流值精度, 需要對電流原始值進行濾波處理, 卡爾曼濾波是最好的方法。

根據(jù)式(2)和式(3)可得卡爾曼濾波狀態(tài)方程

設單相電流卡爾曼濾波的測量方程為

可得卡爾曼濾波模型為

到此基于相電流卡爾曼濾波模型已經(jīng)建立, 根據(jù)模型的基本方程在控制器中設計濾波算法, 可以得到平滑的相電流曲線。

2.2 三相電流矢量合成角度

圖3 三相電流波形

表1 角度對應關系

然后根據(jù)三角形三邊、、求得與之間的夾角為

圖4 合成矢量圖形(情況1)

與之間的夾角為

然后根據(jù)三角形三邊、求得

與之間的夾角為

3 轉子位置分析與相電流相位矯正

3.1 霍爾傳感器安裝位置偏差補償

由于PMSM本身工藝限制以及安裝霍爾傳感器存在手工偏差等因素, 造成霍爾傳感器輸出的轉子位置信息與電機轉子的真實位置信息之間產(chǎn)生誤差, 如圖6所示, 其中H、H、H和分別表示霍爾A、B、C相電平以及電機反電勢,E、E和E分別表示電機三相反電勢, I～VI分別表示霍爾傳感器的6個狀態(tài)。當霍爾傳感器安裝位置滯后時, 會使其檢測到磁場過零延遲一段時間, 使得相鄰2個霍爾扇區(qū)中前一個扇區(qū)對應的電角度較寬, 后一個扇區(qū)對應的電角度較窄。因為每個霍爾扇區(qū)的電角度不再是60°, 而系統(tǒng)卻將其認為是實際的轉子位置, 這會導致電機運轉中產(chǎn)生電流畸變和轉矩脈動, 影響電機的使用壽命和精度。因為PMSM是在低速區(qū)間運轉且電機轉速不會發(fā)生較大的脈動, 所以采用平均速度補償可以有效消除霍爾傳感器在PMSM的安裝偏差。

圖6 PMSM霍爾傳感器位置安裝誤差圖

由圖7可得電機角速度的計算公式

3.2 轉子位置估算原理

由于霍爾傳感器只能得到轉子的6個區(qū)間, 不符合PMSM矢量控制高分辨率位置信號的要求, 因此需要進行霍爾傳感器區(qū)間位置的估算。

常見的開關型霍爾傳感器呈120°電角度擺放, 電機的三相對應3個霍爾傳感器, 每個霍爾傳感器一般超前該相90°放置。當磁場的南北磁極通過時, 霍爾傳感器會呈現(xiàn)高低電平變化。因此每個電周期內(nèi)霍爾傳感器都有2個輸出狀態(tài)。

圖7 平均速度補償算法

進行程序設計時, 插值的細分時間往往是一個矢量控制周期, 在每個矢量控制執(zhí)行周期進行一次位置估算, 并且在每個60°扇區(qū)位置進行一次校正。這種方法計算的是霍爾傳感器旋轉60°扇區(qū)的平均速度, 并不是瞬時速度。對于電機運轉低速區(qū)間, 該算法完全可以擬合出一條很平滑的電角度曲線。

3.3 相電流相位矯正

4 實驗分析

在交流調速平臺上以一臺裝有霍爾傳感器的PMSM作為實驗對象, 對PMSM低速區(qū)間相電流相位矯正算法進行了實驗驗證。PMSM系統(tǒng)參數(shù)如表2所示, 搭建的系統(tǒng)實驗平臺如圖9所示。

表2 電機參數(shù)

圖9 系統(tǒng)實驗平臺

首先通過卡爾曼濾波實驗對控制器采集的三相電流原始值進行濾波, 如圖10所示, 圖中為電流值。實驗結果表明經(jīng)過卡爾曼濾波的三相電流波動不大, 曲線更加平滑, 并且具有很強的抗外界干擾性。

圖10 三相電流卡爾曼濾波處理圖

圖11 轉子角度與合成矢量角度對比圖

圖12 相電流合成矢量矯正圖

5 結束語

文中研究了PMSM三相定子電流由于MCU內(nèi)部軟件延時導致重構后三相定子電流發(fā)生滯后的問題, 通過將三相電流合成矢量角度和轉子霍爾位置估算角度進行數(shù)據(jù)融合, 得到最優(yōu)估計角度, 解決了三相定子電流重構后的滯后問題。最后, 在一臺裝有霍爾傳感器的PMSM上進行實驗, 在電機運轉低速區(qū)間, 模擬三相定子電流同時發(fā)生滯后現(xiàn)象, 通過2種角度的數(shù)據(jù)融合方式矯正相電流相位。實驗結果表明, 文中提出基于霍爾傳感器的PMSM低速區(qū)間相電流相位矯正方法能有效解決電機運行時由于電流重構發(fā)生的滯后問題。文中對PMSM低速運轉區(qū)間相電流相位矯正進行了初步研究, 今后還需進一步研究PMSM中高速運轉區(qū)間相電流出現(xiàn)的滯后問題。

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Phase Current Phase Correction of PMSM in Low Speed Section Based on Hall Sensor

CHEN Ze-ping,SHI Yan-xia, WEI Hai-feng,MIAO Kui-xing

(1. School of Electronic Information and Automation, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China; 2. Intelligent Manufacturing College, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China; 3. School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China)

The three-phase current of a permanent magnet synchronous motor(PMSM) in an undersea vehicle propulsion system lags after reconfiguration due to the software delay within the system. To address this issue, the angles of the three-phase current synthesis vector and the rotor position estimation angle during the low-speed operation of the PMSM are analyzed in principle, and a method is proposed to fuse the data of the two angles to obtain the optimal estimated angle to correct the phase current phase. First, the Kalman filtering of the three-phase current is performed during the low-speed operation of the motor; subsequently, the angle of the synthesized vector is calculated using the three-phase current amplitude, and the position bias of the Hall sensor itself is reduced by using the average speed compensation method; next, the rotor position is estimated using the rotor position estimation method; finally, the optimal angle is obtained by fusing the synthetic vector angle and the rotor angle and correcting the three-phase current phase to reconstruct the three-phase stator current value. The experimental results show that the phase correction method based on the Hall sensor can enhance the interference resistance of the conventional PMSM control system, reducing the difference between the reconstructed three-phase current values and the real values.

undersea vehicle; permanent magnet synchronous motor (PMSM); three-phase current; rotor; phase correction

TJ630.32; TM351

A

2096-3920(2021)06-0739-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.014

陳澤平, 史艷霞, 魏海峰, 等. 基于霍爾傳感器的PMSM低速區(qū)間相電流相位矯正[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2021, 29(6): 739-746.a

2021-01-24;

2021-03-27.

國家自然科學基金(51977101); 天津市技術創(chuàng)新引導專項優(yōu)秀特派員項目(19JCTPJC41300).

陳澤平(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為電機控制.

(責任編輯: 許 妍)