一种基于无感电机控制算法的霍尔位置传感器标定方法与流程

1.本发明属于电机控制领域，涉及一种基于无感电机控制算法的霍尔位置传感器标定方法。


背景技术：

2.近些年来，随着电力电子技术、计算机技术、新型电机控制理论和变频技术的推广普及，电力电子功率器件、微处理器芯片、稀土永磁材料的快速发展，交流永磁电机进入了新的快速发展阶段。由于体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，交流永磁电机越来越受到人们的重视，获得广泛的推广和应用，中小功率的异步电动机变频调速正逐步为交流永磁电机调速系统所取代。目前工业上应用比较多的交流永磁电机分为永磁同步电机和直流无刷电机（bldc），这两种电机的主流控制方法分别是矢量控制（foc正弦波控制）和六步换向控制（梯形波控制）。与控制方法相匹配，永磁同步电机安装的传感器主要为旋转变压器和编码器，bldc电机安装的是霍尔传感器。旋转变压器和编码器具有很高的位置采集精度，适合做精密控制，但是控制方法复杂、成本较高；霍尔传感器成本低廉，控制简单，但位置采集精度很差，不能做精密控制。在工程应用中，对于旋转变压器或者编码器传感器，只要标定一下其零点位置即可使用，但是对于霍尔传感器，要想获得较好的控制效果，需要对每个霍尔位置进行标定。尤其是在有些跨界控制的工程应用中，在使用成本低廉的霍尔传感器条件下，为了获得运行平稳、低噪音、高效率的控制目标，需要采用foc矢量控制，这就更要对霍尔传感器位置进行精确的标定。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种基于无感电机控制算法的霍尔位置传感器标定方法，利用无位置传感器滑模控制算法来估算出转子的绝对位置，借用该绝对位置来对霍尔位置传感器进行标定，从而使霍尔传感器信号和绝对位置关联起来，提高自动标定法角度的准确性。
4.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于无感电机控制算法的霍尔位置传感器标定方法，包括电机以及具有检测相电流的电机控制器，所述的电机上安装有霍尔位置传感器，所述电机控制器和电机的动力线和通讯线连接成电机系统，其特征在于，该方法通过开环控制算法和闭环控制算法使电机运转至一个平稳的设定转速，然后记录霍尔位置信号切换点的估算位置，连续记录多次位置数据，最后求取切换点的平均位置值，则该值为我们标定好的霍尔切换点的绝对位置，整个标定过程可以用的流程图表示，围绕着整个过程，从电机起步到电机静止下来，我们将其细分为以下几个步骤：s1: 连接好电机控制器和电机，给电机控制器接通好高低压电源，同时准备好控制用的上位机电脑或者触摸屏，连接好通信线；s2: 通过上位机或者触摸屏控制电机系统运行。起初，电子转子被锁定保持，然后电机系统开始在低速段开环运行，转速逐渐升高，该阶段的控制用角度为开环角度；
s3:电机运行转速升高至某一切换转速，开环控制算法切换到闭环控制算法，该阶段的控制用角度为无感算法估算角度；s4:将转速继续升高至某一转速，稳定运行，然后开始霍尔传感器标定。开始标定前，电机控制器会对电机的霍尔信号进行正确性鉴别，如果霍尔信号出现缺相或者错误，电机控制器会检测出来，并且上报给上位机或者触摸屏，警告或者停止标定过程。如果霍尔信号正确，则标定工作正式开始，标定用的角度为滑模估算角度；s5：标定开始后，采集并记录每个霍尔信号切换点的绝对角度值，连续记录几十组数据；s6：数据采集记录结束后，将记录的数据除以记录次数就是每个切换点的平均绝对位置；s7：通过平均切换位置可以计算出每个扇区的角度大小，至此，霍尔传感器标定结束；s8：整个标定工作结束后，将电机速度逐渐降为零。
5.与现有技术相比，本基于无感电机控制算法的霍尔位置传感器标定方法只需要具备电机和电机控制器，不依赖复杂试验条件和试验环境，能够便携、快速、准确的标定处霍尔位置传感器，并且能够用对霍尔传感器好坏进行判别，具备以下优点：1、提高生产效率，加快测试速度。该标定方法简便快捷，测试条件简单、容易实现，对测试环境没有过高的要求，不需要额外的试验台架和试验仪器，仅需要电机和控制器以及电源就可完成整个标定过程。因此，在生产电机过程中，减少了测试标定时间，极大地提高了劳动生产效率；2、该方法具有一定的负载兼容能力，不需要将电机系统从设备上拆卸下来，支持带负载标定。标定时，不需要改变硬件的连接状态，只需要给电机系统发送标定命令就可以让电机控制器驱动电机执行标定过程。整个过程不需要人为干预，标定好的结果会自动存储到存储器。因此，这种标定方法给厂家或客户带来了便利；3、该方法采用的转子角度不是开环给定的角度，而是转速稳定时无位置控制算法估算出的角度。因为开环角度与实际转子角度在有些测试条件下存在固有偏差且无法消除，所以采用开环角度来标定霍尔位置角度，也会存在这种角度偏差。假如采用估算出来的绝对位置角度对霍尔传感器进行标定，那么就会达到很高的准确度。这种准度和无位置控制的精确度有关，我们可以通过优化算法参数的方法来提高这种精确性；4、该方法能够智能鉴别霍尔信号正确性。如果发生霍尔信号缺相或者错误，该方法能立刻识别出来并进行告警或者停止标定过程；5、通过该自动标定方法标定出来的角度，可以通过命令方式调取或者修改，为大规模电机生产和测试工作以及售后服务带来便利。
附图说明
6.图1为电机系统的结构框图。
7.图2为电机霍尔位置传感器标定过程流程图。
8.图3为电机霍尔位置传感器标定过程和电机转速对应关系坐标图。
9.图4为包含霍尔位置传感器标定功能的交流永磁电机无传感器控制算法框图。
10.图5为无感控制估算角度与霍尔位置传感器输出信号对比图。
11.图6为标定过程的霍尔信号切换角度记录与计算流程图。
具体实施方式
12.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
13.如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本基于无感电机控制算法的霍尔位置传感器标定方法，包括电机以及具有检测相电流的电机控制器，以便实现无传感器控制算法，电机上安装有霍尔位置传感器，安装方式为120
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安装方式或者60
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安装方式，电机控制器和电机的动力线和通讯线连接成电机系统，该方法通过开环控制算法和闭环控制算法使电机运转至一个平稳的设定转速，然后记录霍尔位置信号切换点的估算位置见附图5，连续记录多次位置数据，最后求取切换点的平均位置值，则该值为我们标定好的霍尔切换点的绝对位置，整个标定过程可以用附图2的流程图表示，围绕着整个过程，从电机起步到电机静止下来，我们将其细分为以下几个步骤，各步骤所涉及到的关键时间点可以参考附图3来理解：s1: 连接好电机控制器和电机，给电机控制器接通好高低压电源，同时准备好控制用的上位机电脑或者触摸屏，连接好通信线；s2: 通过上位机或者触摸屏控制电机系统运行。起初，电子转子被锁定保持见附图3，然后电机系统开始在低速段开环运行见附图3，转速逐渐升高，该阶段的控制用角度为开环角度；s3:电机运行转速升高至某一切换转速见附图3，开环控制算法切换到闭环控制算法，该阶段的控制用角度为无感算法估算角度；s4:将转速继续升高至某一转速，稳定运行见附图3，然后开始霍尔传感器标定。开始标定前，电机控制器会对电机的霍尔信号进行正确性鉴别，如果霍尔信号出现缺相或者错误，电机控制器会检测出来，并且上报给上位机或者触摸屏，警告或者停止标定过程。如果霍尔信号正确，则标定工作正式开始见附图3，标定用的角度为滑模估算角度；s5：标定开始后，采集并记录每个霍尔信号切换点的绝对角度值，连续记录几十组数据；s6：数据采集记录结束后，将记录的数据除以记录次数就是每个切换点的平均绝对位置；s7：通过平均切换位置可以计算出每个扇区的角度大小，至此，霍尔传感器标定结束见附图3；s8：整个标定工作结束后，将电机速度逐渐降为零见附图3。
14.技术改进点本发明提供一种基于无感电机控制算法的霍尔位置传感器标定方法，该方法能够在不需要试验台架、试验仪器的条件下，只需要电机和控制器，甚至可以在连接一定负载的情况下，便捷、快速、准确的标定出霍尔绝对位置。同前述方法对比，具体做了以下改进优化：第一，针对台架标定法严重依赖试验环境和试验设备的不足，本专利所采用的方法为电机系统自动运行执行标定过程，不需要额外的拖动设备，所有测量量和计算数据均
在电机系统内部完成，不需要从外界获取测量数据；第二，针对现有的自动标定法使用开环角度进行霍尔位置角度标定，存在一定的角度偏差，具有无法获得准确的绝对位置的问题，本专利所采用的标定角度为无感控制算法估算的闭环角度。这种方法具有几个特征，1、依此方法标定的角度精确度与无感控制算法相关，无感控制估算的角度越精确，通过该角度标定的霍尔角度就越精确。2、本专利涉及的无感控制算法角度是在电机反电势基础上计算得到的，所以为了获得可靠稳定的估算角度，电机需要以转速闭环模式运行在合适的速度点上，并且无感控制算法需要采用合适的电机参数。3、本专利中涉及的开环运行模式及其使用的开环角度只是为了将电机运行到开闭环切换转速，并不参与霍尔传感器角度标定；第三，有些霍尔传感器的信号不符合常理，无法进行标定，本专利提出将此类问题提早诊断出来，上报给上位机或者触摸屏，对于情况严重的，应该停止标定过程。
15.工作原理方案整个过程描述：电机的霍尔位置传感器连接到电机控制器之后，随着电机转子的旋转，霍尔位置信号会产生相应的变化，如果能测量或者估算出霍尔信号变化时刻对应的角度值，并且把这些角度值和霍尔变化信号关联起来，那么就可以直接根据霍尔信号来计算电机转子位置，进而控制电机运转。整个技术方案细分的话可以分为以下几个阶段：1、标定准备阶段标定准备阶段要完成硬件准备工作和软件准备工作。硬件准备工作包含电机系统的搭建，电机控制器与电机的动力线和通讯线连接，电机系统的固定，电源的接通，上位机的布置，通讯线的连接等，软件准备工作包含标定功能软件的编写和调试，上位机控制软件的调试，无感算法参数的测量和整定；2、获得稳定的标定转速阶段为了到达一个稳定的标定转速，需要控制被测电机旋转起来。这里采用角度开环控制方式启动电机，此时的电机角度和速度值均为软件计算给定，待速度上升后切换至转速闭环控制方式，此时的电机角度和速度值均为无感控制算法估算得到。电机开环启动前需要利用定子磁场将电机转子锁定在固定角度，待开环运行后，软件中的开环角度值在每个开关周期以稳定的加速度递增，电机转子跟随电机定子磁链做旋转运动，旋转速度越来越快。在开环运行过程中，无感控制算法估算出来的角度随着速度的提高越来越精确，当转速达到切换转速时，开环控制算法切换到闭环控制算法，此时控制算法中的电机角度和速度值开始采用无感算法估算的角度和速度，上位机下发的转速或者软件内部预设的标定转速成为了控制目标，电机朝着目标转速加速，转速越来越快，直到到达设定转速后不再上升，稳定运行，此时稳定的转速为接下来的霍尔传感器的标定做准备，转速越稳定，每个开关周期所经过的扇区就越相等，每个切换点对应的估算角度也越稳定；3、角度标定阶段这个阶段可以参考附图6，在电机转速稳定在标定转速后，程序开始执行霍尔传感器信号诊断，这是进入角度标定阶段的必要条件。当诊断出霍尔传感器正常时，接下来就开始霍尔角度标定，如果诊断出传感器有故障，则停止霍尔传感器标定，并将诊断的故障上报给上位机或者触摸屏。霍尔传感器标定采用的是无感控制算法计算出来的角度值，此处为了能够得到较准确的结果，采用累加多次采样角度求平均值的方法。得到霍尔信号切换点
的角度值后，然后可以根据这些值可以求取六个扇区的角度值，此处需要注意跨越两个电角度周期的扇区的计算。
16.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。