一种霍尔位置传感器变权值复合型转子位置估算方法与流程

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种霍尔位置传感器变权值复合型转子位置估算方法。

背景技术

在高性能永磁同步电机控制系统中，为了精确获取转速闭环和空间矢量脉冲调制所需要的转子速度和位置信息，一般需要在电机转子轴端安装高精度的位置传感器，虽然高精度位置传感器的引入可以保证电机的控制结果，但是也存在系统可靠性降低，控制成本增加等一系列问题。为了解决上述问题，许多学者对无传感器算法进行了大量研究，但是无传感器算法过度依赖电机本身。存在低速运行不可靠，无法确定转子位置跟踪的准确性等问题。

考虑控制系统性能与成本问题，选用的低精度位置传感器完成转速和位置的估算，但是现有算法，有模型算法参数设计复杂和无模型算法转子位置估算噪声含量高，估算结果滞后明显等问题，提出了一种霍尔位置传感器变权值复合型转子位置估算方法，可以较好的满足系统。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决永磁同步电机矢量控制中无法利用离散霍尔信号获得较高精度的转子位置问题，而提供的一种霍尔位置传感器变权值复合型转子位置估算方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种霍尔位置传感器变权值复合型转子位置估算方法，包括如下步骤：

步骤一：对单霍尔区间运行时间计时，计算前一时刻霍尔平均速度、加速度，构建一阶加速度算法，引入交轴电流iq构建估算加速度，将估算加速度引入转子位置估算方程中，改进一阶加速度算法；根据前一个霍尔区间转子运行平均速度、加速度以及估算加速度，通过改进型一阶加速度算法对当前转子位置与转速进行估算，得到转子转速ω1和转子位置θ1；

步骤二：在电机转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，根据霍尔信号将转子旋转一周平均分为六个角度为的霍尔扇区；通过霍尔电流传感器采集电机运行相电流，并进行clark变换与park变换，获得两相静止坐标系和两相旋转坐标系下电流值；

步骤三：将两相旋转坐标系下的坐标电流与参考值做差进行pi调节得到两相旋转坐标系下电压值进行坐标变换，完成空间矢量脉冲宽度调制；根据参考电流与实际电流做差，建立扩展反电动势观测器，通过锁相环进行转子位置的提取，得到转子转速和转子位置

步骤四：根据上一霍尔扇区的转子转速和估算加速度构建一补偿权值μ，通过离散霍尔信号对滑模观测器的位置估算结果进行线性前馈矫正补偿，得到校正后的转子位置θ2和转速ω2；将改进一阶加速度算法输出的转子位置θ1和补偿后的滑模观测转子位置θ2作为输出构建复合型器参数调节器，得到估算转子位置θr和转速ωr，复合型算法参数调节器具体原理可用下式表达：

其中λ为复合型算法参数调节器的加权值，根据转子转速ωr将加权值分为三部分，复合型算法参数调节器中加权值计算如下式所示：

其中，δθ为单个霍尔区间位置变化，n为额定转速。

优选的，所述步骤三中，在α-β坐标系下建立反电动势滑模观测器方法是：根据电机相电流进行坐标变换，得到α-β坐标系下的电流，根据电机在相应α-β静止坐标系下的数学模型，可得该坐标系下的滑模观测方程：

其中，rs为定子电阻，ls为定子d-q轴电感，vα、vβ分别为电机定子α-β轴电压分量，iα、iβ分别为电机定子α-β轴电流分量，为iα、iβ的估计值，f为sigmoid函数，κ为滑模观测器增益系数；

通过滑模观测方程可估算出α-β轴定子反电势为：

其中：分别为α-β轴估计反电势分量，θr为电机转子电角度位置。

优选的，所述步骤三中，通过锁相环进行转子和转速估算的方法是：锁相环系统闭环传递函数如式(3)所示：

其中，kp和ki为pi控制器的比例和积分参数，误差ε表示为：

其中，e＝ω2ψf，经过pi调节后，误差ε趋近于零，即估计转子位置角近似实际转子位置角。

优选的，所述步骤一中，计算前一霍尔区间运行转速、加速度的方法是：

其中，tk当前霍尔扇区起始时刻；

取转速二阶导数，定义扇区平均加速度ak-1如下：

其中，ωk-1为前一扇区平均速度。

优选的，所述步骤一中，估算角加速度a＝f(iq)的方法是：

f(iq)＝k1*(iq-k2)(7)

其中，iq为q轴电流，k1，k2为改进一阶加速度算法参数。

优选的，所述步骤一中，对当前转子位置与转速进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，当前时刻转子位置θk，转子位置估算公式如式(8)所示：

其中，ωk-1为前一扇区平均速度。

优选的，所述步骤四中，通过离散位置信号对位置估算结果进行加权线性前馈矫正的方法是：通过转速分段，将相对准确的离散位置信号对滑模估算结果进行加权线性前馈矫正，低速全补偿，中速补偿中引入速度变更权值，高速不补偿，假设在相邻霍尔区间运行时间相同，用上一霍尔区间时间代替当前区间时间，引入补偿权值μ，通过公式(9)对滑模观测值进行线性补偿：

其中，δt为转子在当前霍尔扇区内的运行时间，霍尔边界转子位置估算误差，tk是当前霍尔扇区起始时刻，tk-1是上一霍尔扇区起始时刻，为滑模观测器估算转速结果，ak-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度，μ为补偿权值；

将补偿区间根据转速ωr分段，补偿权值μ根据公式(10)进行计算：

其中，公式(10)中的转子转速ωr采用上一霍尔扇区的转子转速进行计算。

采用上述方案后，本发明可以在较宽转速范围内获得较高精度的观测转子位置。

附图说明

图1是霍尔位置传感器安装结构图；

图2是霍尔位置传感器变权值复合型转子位置估算结构框图；

图3是锁相环控制框图；

图4加权平均值原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，三个开关型霍尔位置传感器应中心对称安装。

如图2所示，本发明提供一种霍尔位置传感器变权值复合型转子位置估算方法，包括如下步骤：

步骤一：对单霍尔区间运行时间计时，计算前一时刻霍尔平均速度、加速度，构建一阶加速度算法，引入交轴电流iq构建估算加速度，将估算加速度引入转子位置估算方程中，改进一阶加速度算法；根据前一个霍尔区间转子运行平均速度、加速度以及估算加速度，通过改进型一阶加速度算法对当前转子位置与转速进行估算，得到转子转速ω1和转子位置θ1；

步骤二：在电机转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，根据霍尔信号将转子旋转一周平均分为六个角度为的霍尔扇区；通过霍尔电流传感器采集电机运行相电流，并进行clark变换与park变换，获得两相静止坐标系和两相旋转坐标系下电流值；

步骤三：将两相旋转坐标系下的坐标电流与参考值做差进行pi调节得到两相旋转坐标系下电压值进行坐标变换，完成空间矢量脉冲宽度调制；根据参考电流与实际电流做差，建立扩展反电动势观测器，通过锁相环进行转子位置的提取，得到转子转速和转子位置

步骤四：根据上一霍尔扇区的和估算加速度构建一补偿权值μ，通过离散霍尔信号对滑模观测器的位置估算结果进行线性前馈矫正补偿，得到校正后的转子位置θ2和转速ω2；将改进一阶加速度算法输出的转子位置θ1和补偿后的滑模观测转子位置θ2作为输出构建复合型器参数调节器，得到估算转子位置θr和转速ωr，复合型算法参数调节器具体原理可用下式表达：

其中λ为复合型算法参数调节器的加权值，根据转子转速ωr将加权值分为三部分，并根据转子在单霍尔区间位置调节权值的大小，减小估算误差，复合型算法参数调节器中加权值计算如下式所示：

其中，δθ为单个霍尔区间位置变化，n为额定转速。将相应的加权值代入到公式θr＝λθ1+(1-λ)θ2中，即可得到估算转子位置θr，完成转子位置的估算，其中ωr由上一霍尔扇区的转子转速代入计算。

进一步的，所述步骤三中，通过锁相环进行转子和转速估算的方法是：锁相环系统闭环传递函数如式(3)所示：

其中，kp和ki为pi控制器的比例和积分参数，误差ε表示为：

其中，e＝ω2ψf，经过pi调节后，误差ε趋近于零，即估计转子位置角近似实际转子位置角。

所述步骤一中，计算前一霍尔区间运行转速、加速度的方法是：

其中，tk当前霍尔扇区起始时刻；

取转速二阶导数，定义扇区平均加速度ak-1如下：

其中，ωk-1为前一扇区平均速度。

所述步骤一中，估算角加速度a＝f(iq)的方法是：

f(iq)＝k1*(iq-k2)(7)

其中，iq为q轴电流，k1，k2为改进一阶加速度算法参数。

所述步骤一中，对当前转子位置与转速进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，当前时刻转子位置θk，转子位置估算公式如式(8)所示：

其中，ωk-1为前一扇区平均速度。

所述步骤四中，通过离散位置信号对位置估算结果进行加权线性前馈矫正的方法是：通过转速分段，将相对准确的离散位置信号对滑模估算结果进行加权线性前馈矫正，低速全补偿，中速补偿中引入速度变更权值，高速不补偿，假设在相邻霍尔区间运行时间相同，用上一霍尔区间时间代替当前区间时间，引入补偿权值μ，通过公式(9)对滑模观测值进行线性补偿：

其中，δt为转子在当前霍尔扇区内的运行时间，霍尔边界转子位置估算误差，tk是当前霍尔扇区起始时刻，tk-1是上一霍尔扇区起始时刻，为滑模观测器估算转速结果，ak-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度，μ为补偿权值；

将补偿区间根据转速ωr分段，补偿权值μ根据公式(10)进行计算。

其中，公式(10)中的转子转速ωr采用上一霍尔扇区的转子转速进行计算。有上述公式可知，当转速满足ωr≤n/20时，用离散霍尔信号全补偿，n为额定转速；当转速满足n/20≤ωr≤n/10时，使用的线性变权值补偿；当转速满足ωr≥n/10时，完全使用滑模观测结果，不进行前馈补偿；在线性补偿中考虑转子加速度影响，对下一霍尔扇区补偿减小滞后性。较好的减小霍尔位置传感器安装误差带来的影响。

综上，本发明在综合考虑成本和控制性能的基础上，可以在较宽范围内较高精度的观测转子位置与转速，具有霍尔位置传感器的复合型估算方法不仅对无传感器滑模算法可靠性有所提升，同时能够提高转子位置估算精度，降低转速估算误差。将平均加速度法计算得到转速信息作为前馈量输入到滑模观测器中不仅能解决滑模观测器存在的起动不可靠和低速平稳性问题，高速下滑模观测器对平均加速度算法进行修正，减小霍尔位置传感器安装误差带来的影响，可以达到较高标准的控制要求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。