基于霍尔信号区间角度估计的电机向量控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电机的控制方法，特别是指一种基于霍尔信号区间角度估计的电 机向量控制方法。
【背景技术】
[0002] 电机驱动的应用非常广泛，传统电机能耗占总能耗的60% W上，随着节能环保标 准的不断提升，更高效、更节能的永磁同步电机的应用迅速普及，伴随其提升的还有其配套 的电子系统和控制方法。
[0003] 目前主流永磁同步电机因气隙磁场主要分为直流无刷马达(BLDC)和永磁同步马 达(PMSM)，而传统控制方法为六步换相120°方波控制，因其简单可靠得到广泛应用。但随着 应用质量的要求越来越高，由于方波控制产生的转矩脉动等缺点不再被容忍，此时具有更 优性能、更平稳、更低噪声的磁场定向向量控制(F0C，W下简称FOC控制)应运而生。
[0004] FOC控制即通过控制S相定子电流来实现S相脉振磁势合成一旋转磁向量。运个 控制所基于的设计是:将一个=相时间和速度决定系统变换为一个两坐标(d轴和q轴坐标） 非时变系统。运些设计导致一个与直流电机控制结构相似的结构。FOC控制需要两个参数作 为输入基准:转矩分量(与q轴坐标对齐)和励磁分量(与d轴坐标对齐），对上述两个分量的 实时精确控制即可精确控制电机的速度和转矩。
[0005] 而FOC控制必须预知转子当前的角度位置，目前通用的角度回馈方式有正交编码 器、旋变编码器、无传感器和霍尔传感器。其中正交编码器和旋变编码器成本高，主要用于 精密的伺服控制;无传感器因其启动和低速问题，主要应用在类似风扇的恒轻载场合中。而 霍尔传感器应用非常广泛，运种回馈方式因方波控制的应用普及而普遍存在，如电动自行 车，目前都是基于霍尔回馈的方波控制。理论上霍尔回馈的转子位置角度只有一个电周期 的六个均分点及六个角度位置，因此对于需要实时知道转子位置的FOC控制，需要采用算法 来对未知的区间位置进行估计。
[0006] 传统的区间位置估计，都是假设霍尔传感器的装配均匀，区间角度均匀，均是60° (如图3a所示），通过取得区间时间差来计算上个区间的速度，从而积分近似得到当前的角 度位置。实际电机生产中霍尔传感器的装配位置并不均匀，即使同一批次也会有些差异(如 图3b所示），因此理想情况估算的速度与实际速度有出入，如果区间角度偏差较大，将会导 致速度估计严重不准，不仅造成角度估算误差大造成电机抖动，而且导致速度环回馈不准， 控制系统中的PI调节器输出频繁震荡。
【发明内容】
[0007] 由上述可知，现有FOC控制若采用霍尔传感器回馈方式W预估区间速度，可能因霍 尔传感器的安装不均匀造成区间速度估算失准，进而造成电机抖动等问题。为解决上述问 题，本发明提出了一种控制方法，能实现对转子速度和角度的准确估计。
[000引为达成上述目的采用的技术手段主要是由一控制系统使一电机加速至转速稳定 后，执行W下步骤：
[0009] 取得一个电周期的霍尔信号，并计算所述电周期中多个区间的切换时间；
[0010] 根据各个区间的切换时间计算其在所述电周期所占比例，W换算出各个区间对应 的角度大小；
[0011] W各个区间角度除W其切换时间而取得所述电机的转子瞬时速度。
[0012] 由于本发明是利用霍尔信号一个电周期中各个区间的切换时间换算其在所述电 周期中所占比例，W计算其区间角度，再W区间角度除W切换时间，即可取到其瞬时速度， 在此状况下即使霍尔传感器的安装不均匀，依然能够准确地估算出转子的角度与速度，进 而有效解决因角度、速度估算失真所衍生的电机抖动和PI调节器输出频繁震荡等问题。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明所采用FOC控制系统的方框图。
[0014] 图2为本发明控制方法的流程图。
[0015] 图3a为霍尔信号的理想区间示意图。
[0016] 图3b为霍尔信号的实际区间示意图。
【具体实施方式】
[0017] W下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所 采取的技术手段。
[0018] -种基于磁场定向的向量控制系统(FOC)是如图1所示：
[0019] 电机(1〇*〇')的立相电流经过AD采样后，进行低通滤波，然后进行CLA服E变换，用 W将静止的=相电流转换为静止的两相电流Ia、Ie，其中：
[0021]因 Ia+Ib+Ic = 0，（l)亦可为
[0023]此时算出转子角度位置为：
[0025] 接着进行PA服变换，将静止的两相电流转换到动态的两相电流(旋转坐标系）Id、 Iq，控制分量解禪，可直接等效成直流电机系统来独立控制，其运算如下式： '乂.^ 广 COS0 sin^y/。、
[0026] J = ，^ 。 r 片J I-sm0 COS0人(4)
[0027]将动态的两相电流Id、Iq分别送到转矩控制器和励磁控制器，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为比例系数，Ki为积分系数，ek为误差；
[0030] 而系统的给定值为:速度参考和励磁分量。
[0031] 前述转矩控制器、励磁控制器的输出再经过PA服反变换，其运算如下式： (COS^ 供 J 叫n0 COS9 人t/J (6 )
[0033] 将结果输出到SVPmi模块，将静止的两相电流转换为静止的S相电流W更新输出 至S相功率逆变器的PWM的占空比。
[0034] 另一方面，本发明是采用霍尔传感器进行转子速度位置的估算，关于如何实现霍 尔区间角度的辨识，是如W下所述：
[0035] 如先前所述，图Ia是显示电机中的霍尔传感器安装均匀，在永磁体分布均匀的理 想情况下，其霍尔信号及触发时刻时序图。然而实际生产过程中受工艺和精度的影响，实际 上的霍尔信号及触发时刻时序会像化所示的不均匀状态，因而必须通过算法对