基于霍爾信號(hào)區(qū)間角度估計(jì)的電機(jī)向量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種電機(jī)的控制方法，特別是指一種基于霍爾信號(hào)區(qū)間角度估計(jì)的電 機(jī)向量控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用非常廣泛，傳統(tǒng)電機(jī)能耗占總能耗的60% W上，隨著節(jié)能環(huán)保標(biāo) 準(zhǔn)的不斷提升，更高效、更節(jié)能的永磁同步電機(jī)的應(yīng)用迅速普及，伴隨其提升的還有其配套 的電子系統(tǒng)和控制方法。
[0003] 目前主流永磁同步電機(jī)因氣隙磁場(chǎng)主要分為直流無(wú)刷馬達(dá)(BLDC)和永磁同步馬 達(dá)(PMSM)，而傳統(tǒng)控制方法為六步換相120°方波控制，因其簡(jiǎn)單可靠得到廣泛應(yīng)用。但隨著 應(yīng)用質(zhì)量的要求越來(lái)越高，由于方波控制產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等缺點(diǎn)不再被容忍，此時(shí)具有更 優(yōu)性能、更平穩(wěn)、更低噪聲的磁場(chǎng)定向向量控制(F0C，W下簡(jiǎn)稱(chēng)FOC控制)應(yīng)運(yùn)而生。
[0004] FOC控制即通過(guò)控制S相定子電流來(lái)實(shí)現(xiàn)S相脈振磁勢(shì)合成一旋轉(zhuǎn)磁向量。運(yùn)個(gè) 控制所基于的設(shè)計(jì)是:將一個(gè)=相時(shí)間和速度決定系統(tǒng)變換為一個(gè)兩坐標(biāo)(d軸和q軸坐標(biāo)） 非時(shí)變系統(tǒng)。運(yùn)些設(shè)計(jì)導(dǎo)致一個(gè)與直流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)。FOC控制需要兩個(gè)參數(shù)作 為輸入基準(zhǔn):轉(zhuǎn)矩分量(與q軸坐標(biāo)對(duì)齊)和勵(lì)磁分量(與d軸坐標(biāo)對(duì)齊），對(duì)上述兩個(gè)分量的 實(shí)時(shí)精確控制即可精確控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。
[0005] 而FOC控制必須預(yù)知轉(zhuǎn)子當(dāng)前的角度位置，目前通用的角度回饋方式有正交編碼 器、旋變編碼器、無(wú)傳感器和霍爾傳感器。其中正交編碼器和旋變編碼器成本高，主要用于 精密的伺服控制;無(wú)傳感器因其啟動(dòng)和低速問(wèn)題，主要應(yīng)用在類(lèi)似風(fēng)扇的恒輕載場(chǎng)合中。而 霍爾傳感器應(yīng)用非常廣泛，運(yùn)種回饋方式因方波控制的應(yīng)用普及而普遍存在，如電動(dòng)自行 車(chē)，目前都是基于霍爾回饋的方波控制。理論上霍爾回饋的轉(zhuǎn)子位置角度只有一個(gè)電周期 的六個(gè)均分點(diǎn)及六個(gè)角度位置，因此對(duì)于需要實(shí)時(shí)知道轉(zhuǎn)子位置的FOC控制，需要采用算法 來(lái)對(duì)未知的區(qū)間位置進(jìn)行估計(jì)。
[0006] 傳統(tǒng)的區(qū)間位置估計(jì)，都是假設(shè)霍爾傳感器的裝配均勻，區(qū)間角度均勻，均是60° (如圖3a所示），通過(guò)取得區(qū)間時(shí)間差來(lái)計(jì)算上個(gè)區(qū)間的速度，從而積分近似得到當(dāng)前的角 度位置。實(shí)際電機(jī)生產(chǎn)中霍爾傳感器的裝配位置并不均勻，即使同一批次也會(huì)有些差異(如 圖3b所示），因此理想情況估算的速度與實(shí)際速度有出入，如果區(qū)間角度偏差較大，將會(huì)導(dǎo) 致速度估計(jì)嚴(yán)重不準(zhǔn)，不僅造成角度估算誤差大造成電機(jī)抖動(dòng)，而且導(dǎo)致速度環(huán)回饋不準(zhǔn)， 控制系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器輸出頻繁震蕩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 由上述可知，現(xiàn)有FOC控制若采用霍爾傳感器回饋方式W預(yù)估區(qū)間速度，可能因霍 爾傳感器的安裝不均勻造成區(qū)間速度估算失準(zhǔn)，進(jìn)而造成電機(jī)抖動(dòng)等問(wèn)題。為解決上述問(wèn) 題，本發(fā)明提出了一種控制方法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子速度和角度的準(zhǔn)確估計(jì)。
[000引為達(dá)成上述目的采用的技術(shù)手段主要是由一控制系統(tǒng)使一電機(jī)加速至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 后，執(zhí)行W下步驟：
[0009] 取得一個(gè)電周期的霍爾信號(hào)，并計(jì)算所述電周期中多個(gè)區(qū)間的切換時(shí)間；
[0010] 根據(jù)各個(gè)區(qū)間的切換時(shí)間計(jì)算其在所述電周期所占比例，W換算出各個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng) 的角度大?。?br>[0011] W各個(gè)區(qū)間角度除W其切換時(shí)間而取得所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子瞬時(shí)速度。
[0012] 由于本發(fā)明是利用霍爾信號(hào)一個(gè)電周期中各個(gè)區(qū)間的切換時(shí)間換算其在所述電 周期中所占比例，W計(jì)算其區(qū)間角度，再W區(qū)間角度除W切換時(shí)間，即可取到其瞬時(shí)速度， 在此狀況下即使霍爾傳感器的安裝不均勻，依然能夠準(zhǔn)確地估算出轉(zhuǎn)子的角度與速度，進(jìn) 而有效解決因角度、速度估算失真所衍生的電機(jī)抖動(dòng)和PI調(diào)節(jié)器輸出頻繁震蕩等問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明所采用FOC控制系統(tǒng)的方框圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明控制方法的流程圖。
[0015] 圖3a為霍爾信號(hào)的理想?yún)^(qū)間示意圖。
[0016] 圖3b為霍爾信號(hào)的實(shí)際區(qū)間示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] W下配合圖式及本發(fā)明的較佳實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所 采取的技術(shù)手段。
[0018] -種基于磁場(chǎng)定向的向量控制系統(tǒng)(FOC)是如圖1所示：
[0019] 電機(jī)(1〇*〇')的立相電流經(jīng)過(guò)AD采樣后，進(jìn)行低通濾波，然后進(jìn)行CLA服E變換，用 W將靜止的=相電流轉(zhuǎn)換為靜止的兩相電流Ia、Ie，其中：
[0021]因 Ia+Ib+Ic = 0，（l)亦可為
[0023]此時(shí)算出轉(zhuǎn)子角度位置為：
[0025] 接著進(jìn)行PA服變換，將靜止的兩相電流轉(zhuǎn)換到動(dòng)態(tài)的兩相電流(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）Id、 Iq，控制分量解禪，可直接等效成直流電機(jī)系統(tǒng)來(lái)獨(dú)立控制，其運(yùn)算如下式： '乂.^ 廣 COS0 sin^y/。、
[0026] J = ，^ 。 r 片J I-sm0 COS0人(4)
[0027]將動(dòng)態(tài)的兩相電流Id、Iq分別送到轉(zhuǎn)矩控制器和勵(lì)磁控制器，所述控制器采用通用 的PI控制器： k-l
[002引 =足八 + + SX 。=0 (5 )
[0029] Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，ek為誤差；
[0030] 而系統(tǒng)的給定值為:速度參考和勵(lì)磁分量。
[0031] 前述轉(zhuǎn)矩控制器、勵(lì)磁控制器的輸出再經(jīng)過(guò)PA服反變換，其運(yùn)算如下式： (COS^ 供 J 叫n0 COS9 人t/J (6 )
[0033] 將結(jié)果輸出到SVPmi模塊，將靜止的兩相電流轉(zhuǎn)換為靜止的S相電流W更新輸出 至S相功率逆變器的PWM的占空比。
[0034] 另一方面，本發(fā)明是采用霍爾傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)子速度位置的估算，關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)霍 爾區(qū)間角度的辨識(shí)，是如W下所述：
[0035] 如先前所述，圖Ia是顯示電機(jī)中的霍爾傳感器安裝均勻，在永磁體分布均勻的理 想情況下，其霍爾信號(hào)及觸發(fā)時(shí)刻時(shí)序圖。然而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中受工藝和精度的影響，實(shí)際 上的霍爾信號(hào)及觸發(fā)時(shí)刻時(shí)序會(huì)像化所示的不均勻狀態(tài)，因而必須通過(guò)算法對(duì)