霍尔传感器不同安装方式下的偏差识别及补偿方法与流程

本发明属于永磁同步电机控制领域，具体地说，是一种霍尔传感器不同安装方式下的偏差识别及补偿方法。

背景技术：

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，在电动车辆、家用电器、工业控制等行业上有广泛的作用。

永磁同步电动机在很多应用领域采用三个开关型霍尔传感器作为转子位置传感器，用于获得6个绝对位置。三个霍尔传感器安装时需要严格按照一定角度分布，存在60°和120°两种角度分布形式，但是用于安装工艺的参差不齐，市面上的永磁同步电机的霍尔传感器普遍存在安装偏差，直接影响到矢量控制中角度估算的准确度，甚至导致电流畸变，影响控制效果。技术人员常常采用示波器去对比霍尔信号波形与反电动势波形的方法确定霍尔传感器的角度分布形式以及霍尔传感器安装偏差的大小，并在角度估算时对安装偏差进行角度补偿。但是这种方法适应性差，当更换电机时仍需要重新测试进行补偿。

技术实现要素：

本发明提供了一种霍尔传感器不同安装方式下的偏差识别及补偿方法，以解决现有技术中永磁同步电机中霍尔传感器安装偏差识别和补偿方法适应性差的问题。

本发明利用恒压频比控制永磁同步电动机低速转动拟合出正弦反电动势波形，获取霍尔传感器出现边沿信号时的反电动势数值，以确定安装偏差角度的大小；并在霍尔传感器出现边沿信号时记录三个霍尔传感器的电平信号，分析得到具体角度分布形式，最后在角度估算时针对安装偏差进行角度补偿。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种霍尔传感器不同安装方式下的偏差识别及补偿方法，包括如下步骤：

步骤1：采用恒压频比控制，并增加输出电压来提高输出力矩，使永磁同步电机在低频率下稳定转动；

步骤2：获取永磁同步电机三相反电动势的数值和三个霍尔传感器的上升沿或下降沿信号，并记录每一相反电动势的峰值；

步骤3：当捕获到任一霍尔传感器的上升沿或下降沿信号时，记录对应相的反电动势数值以及三个霍尔传感器的电平状态，并根据所述记录的对应相的反电动势数值、反电动势的峰值计算安装偏差角度；当三个霍尔传感器的边沿信号对应的偏差角度完成计算时，霍尔传感器安装偏差识别过程结束；

步骤4：根据所述步骤3中记录的三个霍尔传感器的6个电平状态，判断霍尔传感器角度分布形式是60°还是120°；

步骤5：根据所述步骤3中所获得的三个霍尔传感器的偏差角度以及所述步骤4中所获得的霍尔传感器角度分布形式，通过调整绝对位置的方法，对正常工作时永磁同步电机的转子位置角度估算进行补偿。

本发明的进一步改进，在步骤1中采用恒压频比控制使永磁同步电机在低频率下稳定转动的具体方法为：

输出频率范围为1hz～5hz；输出电压增加到原来输出电压的2～3倍。

可选地，所述步骤3中根据所述记录的对应相的反电动势数值e、反电动势的峰值em计算安装偏差角度δθ，具体计算公式为：

本发明的进一步改进，在步骤4中根据所述步骤3中记录的三个霍尔传感器的6个电平状态判断霍尔传感器角度分布形式的具体方法为：

当三个霍尔传感器的6个电平状态包含“0”、“0”、“0”和“1”、“1”、“1”两个状态时，判断霍尔传感器角度分布形式为60°；

当三个霍尔传感器的6个电平状态包含“1”、“0”、“0”和“0”、“1”、“0”两个状态时，判断霍尔传感器角度分布形式为120°。

本发明的进一步改进，在步骤5中调整绝对位置的具体方法如下：

在霍尔传感器角度分布形式为60°情况下：当霍尔传感器a的上升沿信号或霍尔传感器b的下降沿信号或霍尔传感器c的上升沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＜0时，需要将绝对位置角度向前调整|δθ|；当霍尔传感器a的上升沿信号或霍尔传感器b的下降沿信号或霍尔传感器c的上升沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＞0时，需要将绝对位置角度向后调整|δθ|；

在霍尔传感器a的下降沿信号或霍尔传感器b的上升沿信号或霍尔传感器c的下降沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＜0时，需要将绝对位置向前调整角度向后调整|δθ|；在霍尔传感器a的下降沿信号或霍尔传感器b的上升沿信号或霍尔传感器c的下降沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＞0时，需要将绝对位置向前调整角度向前调整|δθ|；

在霍尔传感器角度分布形式为120°情况下：当任一霍尔传感器的上升沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＜0时，需要将绝对位置角度向前调整|δθ|；在霍尔传感器的上升沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＞0时，需要将绝对位置角度向后调整|δθ|；当任一霍尔传感器的下降沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＜0时，需要将绝对位置角度向后调整|δθ|；在霍尔传感器的下降沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＞0时，需要将绝对位置角度向前调整|δθ|；

在霍尔传感器角度分布形式为60°情况下：霍尔传感器a的上升沿信号对应的绝对位置为0°，霍尔传感器c的下降沿信号对应的绝对位置为60°，霍尔传感器b的下降沿信号对应的绝对位置为120°，霍尔传感器a的下降沿信号对应的绝对位置为180°，霍尔传感器c的上升沿信号对应的绝对位置为240°，霍尔传感器b的上升沿信号对应的绝对位置为300°；

在霍尔传感器角度分布形式为120°情况下：霍尔传感器a的上升沿信号对应的绝对位置为0°，霍尔传感器c的下降沿信号对应的绝对位置为60°，霍尔传感器b的上升沿信号对应的绝对位置为120°，霍尔传感器a的下降沿信号对应的绝对位置为180°，霍尔传感器c的上升沿信号对应的绝对位置为240°，霍尔传感器b的下降沿信号对应的绝对位置为300°。

本发明的进一步改进，在步骤5中当霍尔传感器角度分布形式为60°时永磁同步电机的转子位置角度估算进行补偿的具体方法如下：

霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间，转子位置角度θ1计算公式为：

θ1＝ω1t1+0+δθar

其中，“ω1”代表在霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间的平均角速度，“t1”代表霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间的运行时间，“δθar”代表霍尔传感器a的上升沿信号对应的安装偏差角度，“0+δθar”调整后霍尔传感器a的上升沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间，转子位置角度θ2计算公式为：

θ2＝ω2t2+60-δθcd

其中，“ω2”代表在霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间的平均角速度，“t2”代表霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间的运行时间，“δθcd”代表霍尔传感器c的下降沿信号对应的安装偏差角度，“60-δθcd”调整后霍尔传感器c的下降沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间，转子位置角度θ3计算公式为：

θ3＝ω3t3+120+δθbr

其中，“ω3”代表在霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间的平均角速度，“t3”代表霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间的运行时间，“δθbr”代表霍尔传感器b的下降沿信号对应的安装偏差角度，“120+δθbr”调整后霍尔传感器b的下降沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间，转子位置角度θ4计算公式为：

θ4＝ω4t4+180-δθad

其中，“ω4”代表在霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间的平均角速度，“t4”代表霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间的运行时间，“δθad”代表霍尔传感器a的下降沿信号对应的安装偏差角度，“180-δθad”调整后霍尔传感器a的下降沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间，转子位置角度θ5计算公式为：

θ5＝ω5t5+240+δθcr

其中，“ω5”代表在霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间的平均角速度，“t5”代表霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间的运行时间，“δθcr”代表霍尔传感器c的上升沿信号对应的安装偏差角度，“240+δθcr”调整后霍尔传感器c的上升沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间，转子位置角度θ6计算公式为：

θ6＝ω6t6+300-δθbd

其中，“ω6”代表在霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间的平均角速度，“t6”代表霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间的运行时间，“δθbd”代表霍尔传感器b的上升沿信号对应的安装偏差角度，“300-δθbd”调整后霍尔传感器b的上升沿信号对应的绝对位置的角度。

可选地，所述步骤5中当霍尔传感器角度分布形式为120°时永磁同步电机的转子位置角度估算进行补偿的具体方法如下：

霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间，转子位置角度θ1计算公式为：

θ1＝ω1t1+0+δθar

其中，“ω1”代表在霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间的平均角速度，“t1”代表霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间的运行时间，“δθar”代表霍尔传感器a的上升沿信号对应的安装偏差角度，“0+δθar”调整后霍尔传感器a的上升沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间，转子位置角度θ2计算公式为：

θ2＝ω2t2+60-δθcd

其中，“ω2”代表在霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间的平均角速度，“t2”代表霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间的运行时间，“δθcd”代表霍尔传感器c的下降沿信号对应的安装偏差角度，“60-δθcd”调整后霍尔传感器c的下降沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间，转子位置角度θ3计算公式为：

θ3＝ω3t3+120+δθbr

其中，“ω3”代表在霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间的平均角速度，“t3”代表霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间的运行时间，“δθbr”代表霍尔传感器b的上升沿信号对应的安装偏差角度，“120+δθbr”调整后霍尔传感器b的上升沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间，转子位置角度θ4计算公式为：

θ4＝ω4t4+180-δθad

其中，“ω4”代表在霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间的平均角速度，“t4”代表霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间的运行时间，“δθad”代表霍尔传感器a的下降沿信号对应的安装偏差角度，“180-δθad”调整后霍尔传感器a的下降沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间，转子位置角度θ5计算公式为：

θ5＝ω5t5+240+δθcr

其中，“ω5”代表在霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间的平均角速度，“t5”代表霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间的运行时间，“δθcr”代表霍尔传感器c的上升沿信号对应的安装偏差角度，“240+δθcr”调整后霍尔传感器c的上升沿信号对应的绝对位置的角度；

霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间，转子位置角度θ6计算公式为：

θ6＝ω6t6+300-δθbd

其中，“ω6”代表在霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间的平均角速度，“t6”代表霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间的运行时间，“δθbd”代表霍尔传感器b的下降沿信号对应的安装偏差角度，“300-δθbd”调整后霍尔传感器b的下降沿信号对应的绝对位置的角度。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明首先通过恒压频比方法控制永磁同步电机转动，并提出通过调解输出电压获得永磁同步电机在低频率下低速稳速的旋转，以获得霍尔传感器信号和反电动势的高采样精度，以及准确的霍尔传感器信号和反电动势的对应关系。

本发明首先通过分析三个霍尔传感器的6个电平状态，可以获得霍尔传感器角度分布形式是60°还是120°，方法简单、快速。

本发明结合电机的反电动势信号和霍尔传感器信号，通过获取霍尔信号的边沿信号下反电动势的大小，以确定安装偏差角度，并给出对绝对位置向前调整或向后调整的方法。

本发明针对传统的永磁同步电机的转子角度估算方法，采用调整后的绝对位置重新构建了转子角度估算方法，重构方法简单，可移植性强。

附图说明

图1为本发明具体实施的一种霍尔传感器不同安装方式下的偏差识别及补偿方法的流程图。

图2为本发明具体实施的霍尔传感器60°分布安装偏差识别的示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1所示，一种霍尔传感器不同安装方式下的偏差识别及补偿方法，包括如下步骤：

步骤s1：采用恒压频比控制，并增加输出电压来提高输出力矩，使永磁同步电机在低频率下稳定转动；

用恒压频比控制使永磁同步电机在低频率下稳定转动的具体方法为：

输出频率范围为1hz～5hz；输出电压增加到原来输出电压的2～3倍。

根据恒压频比控制下永磁同步电机的转矩和工作电压的平方成正比，所以提高输出电压可以增加转矩，使得永磁同步电机在低频率下也可以转动。

步骤s2：获取永磁同步电机三相反电动势的数值和三个霍尔传感器的上升沿或下降沿信号，并记录每一相反电动势的峰值。

如图2所示，为霍尔传感器60°分布安装偏差识别的示意图；图2中，ea、eb、ec为永磁同步电机的三相反电势波形；ha、hb、hc为三个霍尔传感器的电平信号波形。获取每一相反电动势的峰值em＝3.0v。

步骤s3：当捕获到任一霍尔传感器的上升沿或下降沿信号时，记录对应相的反电动势数值以及三个霍尔传感器的电平状态，并根据记录的对应相的反电动势数值、反电动势的峰值计算安装偏差角度；当三个霍尔传感器的边沿信号对应的偏差角度完成计算时，霍尔传感器安装偏差识别过程结束；

如图2所示，当捕获到霍尔传感器a的上升沿信号时，读取对应相的反电动势数值为em＝0.4v，则霍尔传感器a的上升沿信号对应的安装偏差角度计算如下

当捕获到霍尔传感器c的下降沿信号时，读取对应相的反电动势数值为em＝-0.4v，则霍尔传感器c的下降沿信号对应的安装偏差角度计算如下

同理可得，霍尔传感器b的下降沿信号对应的安装偏差角度为δθbd＝7.66°，霍尔传感器a的下降沿信号对应的安装偏差角度为δθad＝-7.66°，霍尔传感器c的上升沿信号对应的安装偏差角度为δθcr＝7.66°，霍尔传感器b的上升沿信号对应的安装偏差角度为δθbr＝-7.66°。

当捕获到霍尔传感器a的上升沿信号时读取三个霍尔传感器的电平状态为“1”、“1”、“1”，当捕获到霍尔传感器c的下降沿信号时读取三个霍尔传感器的电平状态为“1”、“1”、“0”，当捕获到霍尔传感器a的下降沿信号时，读取三个霍尔传感器的电平状态为“0”、“0”、“0”，当捕获到霍尔传感器b的下降沿信号时，读取三个霍尔传感器的电平状态为“1”、“0”、“0”，当捕获到霍尔传感器c的上升沿信号时，读取三个霍尔传感器的电平状态为“0”、“0”、“1”，当捕获到霍尔传感器b的上升沿信号时，读取三个霍尔传感器的电平状态为“0”、“1”、“1”。

步骤s4：根据步骤s3中记录的三个霍尔传感器的6个电平状态，判断霍尔传感器角度分布形式是60°还是120°；

因为三个霍尔传感器的6个电平状态包含“0”、“0”、“0”和“1”、“1”、“1”两个状态，则判断霍尔传感器角度分布形式为60°。

步骤s5：根据步骤s3中所获得的三个霍尔传感器的偏差角度以及步骤s4中所获得的霍尔传感器角度分布形式，通过调整绝对位置的方法，对正常工作时永磁同步电机的转子位置角度估算进行补偿。

在霍尔传感器角度分布形式为60°情况下：当霍尔传感器a的上升沿信号或霍尔传感器b的下降沿信号或霍尔传感器c的上升沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＜0时，需要将绝对位置角度向前调整|δθ|；当霍尔传感器a的上升沿信号或霍尔传感器b的下降沿信号或霍尔传感器c的上升沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＞0时，需要将绝对位置角度向后调整|δθ|；

在霍尔传感器a的下降沿信号或霍尔传感器b的上升沿信号或霍尔传感器c的下降沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＜0时，需要将绝对位置向前调整角度向后调整|δθ|；在霍尔传感器a的下降沿信号或霍尔传感器b的上升沿信号或霍尔传感器c的下降沿信号对应计算的安装偏差角度δθ＞0时，需要将绝对位置向前调整角度向前调整|δθ|；

所以根据以上绝对位置调整方法，当霍尔传感器角度分布形式为60°时永磁同步电机的转子位置角度估算进行补偿的具体方法如下：

霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间，转子位置角度θ1计算公式为：

θ1＝ω1t1+0+δθar＝ω1t1+0+7.66(°)

其中，“ω1”代表在霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间的平均角速度，单位：°/s；“t1”代表霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间的运行时间，单位：s；“δθar”代表霍尔传感器a的上升沿信号对应的安装偏差角度，单位：°；“0+δθar”调整后霍尔传感器a的上升沿信号对应的绝对位置的角度，单位：°。

霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间，转子位置角度θ2计算公式为：

θ2＝ω2t2+60-δθcd＝ω2t2+60-(-7.66)(°)

其中，“ω2”代表在霍尔传感器a的上升沿信号和霍尔传感器c的下降沿信号之间的平均角速度，单位：°/s；“t2”代表霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间的运行时间，单位：s；“δθcd”代表霍尔传感器c的下降沿信号对应的安装偏差角度，单位：°；“60-δθcd”调整后霍尔传感器c的下降沿信号对应的绝对位置的角度；单位：°。

霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间，转子位置角度θ3计算公式为：

θ3＝ω3t3+120+δθbr＝ω3t3+120+7.66(°)

其中，“ω3”代表在霍尔传感器c的下降沿信号和霍尔传感器b的下降沿信号之间的平均角速度，单位：°/s；“t3”代表霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间的运行时间，单位：s；“δθbr”代表霍尔传感器b的下降沿信号对应的安装偏差角度，单位：°；“120+δθbr”调整后霍尔传感器b的下降沿信号对应的绝对位置的角度；单位：°。

霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间，转子位置角度θ4计算公式为：

θ4＝ω4t4+180-δθad＝ω4t4+180-(-7.66)(°)

其中，“ω4”代表在霍尔传感器b的下降沿信号和霍尔传感器a的下降沿信号之间的平均角速度，单位：°/s；“t4”代表霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间的运行时间，单位：s；“δθad”代表霍尔传感器a的下降沿信号对应的安装偏差角度，单位：°；“180-δθad”调整后霍尔传感器a的下降沿信号对应的绝对位置的角度；单位：°。

霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间，转子位置角度θ5计算公式为：

θ5＝ω5t5+240+δθcr＝ω5t5+240+7.66(°)

其中，“ω5”代表在霍尔传感器a的下降沿信号和霍尔传感器c的上升沿信号之间的平均角速度，单位：°/s；“t5”代表霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间的运行时间，单位：s；“δθcr”代表霍尔传感器c的上升沿信号对应的安装偏差角度，单位：°；“240+δθcr”调整后霍尔传感器c的上升沿信号对应的绝对位置的角度；单位：°。

霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间，转子位置角度θ6计算公式为：

θ6＝ω6t6+300-δθbd＝ω6t6+300-(-7.66)(°)

其中，“ω6”代表在霍尔传感器c的上升沿信号和霍尔传感器b的上升沿信号之间的平均角速度，单位：°/s；“t6”代表霍尔传感器b的上升沿信号和霍尔传感器a的上升沿信号之间的运行时间，单位：s；“δθbd”代表霍尔传感器b的上升沿信号对应的安装偏差角度，单位：°；“300-δθbd”调整后霍尔传感器b的上升沿信号对应的绝对位置的角度，单位：°。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。