基于反电势观测器和锁相环的无刷直流电机霍尔位置误差补偿方法研究 吴改燕
【摘 要】An error compensation method based on back EMF observer and phase-locked loop( PLL) is proposed to solve the problem of angle error of the low resolution hall sensor. According to the principle of hall sensor detection, the reason of the error of the electrical angle and the error of the algorithm is analyzed. The angle error is recon-structed by using the back EMF observer,and the phase error is calculated by using the phase locked loop,and the estimated position of the hall sensor is compensated. The experiment was performed at the 48 V BLDCM,by comparing the result of compensated electric angle and phase current,it proves that this method can improve the hall sensor angle effectively,improve the current response,suppress the torque ripple,and achieve high performance control.%针对无刷直流电机采用低分辨率霍尔传感器进行转子位置估计存在角度误差问题,提出基于反电势观测器和锁相环的误差补偿方法.根据霍尔传感器测量电角度原理,分析电角度固有安装误差和算法估算误差的原因,提出了结合反电势观测器重构角度误差, 采用锁相环进行相位计算,实现对电角度误差进行补偿.在48V无刷直流电机上进行实验,通过对补偿后电角度和相电流响应比较,证明新方法能够有效的改善霍尔传感器角度误差问题,改善电流响应,实现对转矩脉动的抑制,能获得高效控制性能.
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2018(041)003
【总页数】5页(P611-615)
【关键词】无刷直流电机;误差补偿;观测器;锁相环
【作 者】吴改燕
【作者单位】吉林铁道职业技术学院,吉林 吉林132002
【正文语种】中 文
【中图分类】TM383.6
无刷直流电机BLDCM(Brushless DC Motor)采用电子换相取代了传统的机械换相的新型电机,具有转速高、寿命长、效率高、低噪声等优点,广泛应用于航空航天、汽车电子、家用电器、消费电子、以及工业自动化领域[1]。转子位置获取是无刷直流电机控制的关键,目前霍尔传感器、增量式编码器、无传感器等方式获取电机转子位置信息得到国内外学者的关注[2]。编码器估计转子位置精度高,但成本较高,且在电机启动时需要额外检测电机旋转方向;无传感控制算法采用观测器估算转子角度,能节省成本,但其易受其他信号干扰,且在低速与高速段难以同时达到优质的控制效果[3];低分辨率霍尔位置传感器,不仅安装方便,而且节约了电机设计成本,在全速范围内都能够获得高精度位置信号,在工程中得到广泛应用。然而,实际中霍尔传感器存在固有误差和估算误差,使控制精度降低,转矩脉动增大。
利用低分辨率的霍尔传感器实现高效控制效果得到了国内外学者的广泛关注和研究。文献[4]结合霍尔位置传感器信号和观测反电动势信号,提出电磁转矩观测器,解决了无连续转子位置信息条件下转矩大小及正负估算等问题。文献[5]针对永磁同步电机霍尔传感器安装不对称引起的转矩波动等问题,根据转矩波动与角度误差关系,对霍尔传感器误差进行补偿,实验结果表明新方法使得转矩脉动明显得到改善。文献[6]在分析了霍尔传感器零阶速度估计、一阶速度估计基础上,提出矢量-锁相环观测器估计。文献[7]针对永磁同步电机的霍尔
传感器存在偏差等问题,提出了一种慢校正方法,根据转速变化,在每个电周期内对电角度进行均匀补偿,有利于电机的平稳运行与控制。文献[8]也采用慢校正思路进行均匀补偿,并对强校正与慢校正方法进行对比分析。文献[8]针对永磁同步电机线性两路正交霍尔传感器误差,采用了PLL方法进行角度补偿。
上述研究利用霍尔传感器在不同领域实现高精度控制取得一定效果,本文在上述基础上,详细分析霍尔传感器位置估计误差原理,并考虑到常规静态补偿方法易受惯性和时变负载的影响,结合反电势观测器和锁相环理论,提出了一种三相霍尔误差补偿方法,实现对电角度补偿,以降低转矩波动,实现电机的平稳运行与控制,实验证明该方法的可行和有效。
1 转子位置估算原理与误差分析
无刷直流电机转子位置估算方法根据传感器数量分为单霍尔传感器、两相正交霍尔传感器、三相对称霍尔传感器等,霍尔传感器估计角度误差较大,控制精度较低。本文以三相霍尔传感器为对象,研究转子位置角度补偿方法,以抑制转矩脉动。三相霍尔传感器在空间内间隔120°分布,如图1所示。
图1 霍尔传感器的安装图
图2 三相霍尔输出信号
当转子转动时,转子磁极为S时输出高电平,其他时刻输出低电平,一个电角度周期内传感器输出位置信号相位差为120°,脉宽为180°的方波,三相霍尔信号将360°电角度划分为6个扇区,如图2所示。表1为三相霍尔信号与转子位置对应关系,当电机连续运行时,根据霍尔信号的时域关系,判断转子所在的扇区和旋转方向。
表1 霍尔状态信号与转子位置关系HaHbHc转子位置/(°)扇区0110～60100160～1202101120～1803100-180～-1204110-120～-605010-60～06
1.2 角度估算误差
设霍尔状态信号变化的时刻为tk,前一时刻分别为tk-1,后一时刻为tk+1,对应的角速度分别为ωk-1,ωk,ωk+1,角度分别为θk-1,θk和θk+1(如图2所示),因此在t时刻角度θ(t)可表示为
θ(t)=w(t)dt+θk
(1)
对于霍尔传感器位置估计算法只考虑θ(t)展开式前两项,即
θ=θ(tk-1)+ωtk-1(t-tk-1)
(2)
图3 尔安装误差示意图
角度估算时采用前一扇区角速度估算角度,式(2)中理论上ω阶数越高,估计精度越高,但处理器速度和精度限制,因此常采用式(2)估计转子位置。根据上述计算,霍尔传感器的转子位置估算是采用的平均角速度积分实现,在60°角度区间内采用的是上个扇区的时间积分进行角度的估计,因此当电机此扇区内转速发生变化等产生波动时,必然造成扇区的角度估计产生偏差(如图3所示),从而造成电机的电流和输出转矩波动,降低电机效率。
1.3 固有安装误差
三相霍尔传感器安装不对称等也会造成转子位置存在固有偏差。图3中给出了三相霍尔位置传感器安装偏差时的示意图。以Ha安装误差Δθ为例分析,分析固有安装误差的影响。从图
中可知,Ha相霍尔位置传感器实际位置与理想位置偏差为Δθ时,当转子位置进入5,2扇区,电角度范围小于60°,而当转子进入1,6扇区时电角度范围大于60°,当转子进入4,3霍尔扇区时,电角度范围等于60°。由图3可知,在Ha安装误差Δθ时,扇区2,5的实际宽度为π/3-Δθ,电机在区间2,5的运行时间为平均角速度为在扇区1,6的实际宽度π/3+Δθ,运行时间为平均角速度为在扇区4,3角度准确。对其余两相霍尔传感器误差采用相同方法分析,得到位置估算误差如表2所示。
表2 霍尔状态信号与扇区角度误差关系1,62,53,4Haπ/3+Δθπ/3-Δθ—Hbπ/3-Δθ—π/3+ΔθHc—π/3+Δθπ/3-Δθ
根据上述分析,传统平均角速度霍尔估计算法都和霍尔安装问题均会产生电角度误差,导致转矩波动大,因此本文结合反电势观测器和锁相环构建了角度反馈补偿系统,改善霍尔传感器安装不准和传统方法估计算法造成的电流精度差,转矩脉动大等缺点。
2 基于反电势观测器和锁相环的误差补偿方法
无刷直流电机矢量控制算法中必须获取转子位置,如图4为无刷直流电机坐标系关系。
图4 无刷直流电机各坐标系
图4中,θ为三相旋转坐标系下的d轴与静止坐标系α轴的夹角。为了解决霍尔位置误差问题,本文利用静止坐标系下两相静止电流,重构转子反电动势,反电动势中得到转子误差角频率信息,从而构建反馈补偿策略。静止坐标下无刷直流电机数学模型如式(3)所示:
(3)
式中:uα、uβ和iα、iβ分别是静止坐标系下α、β轴的定子电压和电流;Rs为定子绕组电阻;Ls为定子绕组电感;φm为转子磁链,p为微分算子,无刷电机模型可以化为式(4)所示。
(4)
式中:n为极对数,eα,eβ为α、β轴的反电动势。观察式(4)中,通过静止坐标系eα,eβ的关系即可估算出转子的角频率ωr,转速估算值是由转角微分计算得到的,但微分会对噪声起放大作用。因此采用高精度的锁相环技术实现角度的跟踪。本文设计的霍尔传感器角度补偿方法如图5所示,通过观测反电势eα和eβ估算出角度误差Δθ,由PI控制器计算ωerr,对霍尔估计速度进行补偿,进而再由积分器估算出转子角度,补偿后的角速度经过低通滤波器LPF得到估计
的角速度。
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