基于霍爾位置傳感器的電動汽車用永磁同步電機的控制

朱孟美，張 云，解兆延，尹 偉，慕永云，趙 波

(山東省科學院自動化研究所 汽車電子技術重點實驗室， 山東 濟南 250014)

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基于霍爾位置傳感器的電動汽車用永磁同步電機的控制

朱孟美，張 云，解兆延，尹 偉，慕永云，趙 波

(山東省科學院自動化研究所 汽車電子技術重點實驗室， 山東 濟南 250014)

介紹了采用低分辨率霍爾位置傳感器估算轉子角度和轉速的基本原理，提出了在永磁同步電機(PMSM)中應用的一種轉子角度慢校正控制方法，能有效減小電流的波動，利于電流的平滑控制。在基于數字信號控制器STM32F103RBT6的硬件平臺上，實現正弦波矢量控制，角度慢校正的方法能有效抑制轉矩脈動，電機運行平穩。

永磁同步電機； 霍爾位置傳感器； 矢量控制； 角度慢校正

0 引 言

隨著能源短缺的日益凸顯以及環境污染的日益惡化，電動汽車作為一種使用電能驅動的新能源汽車，受到人們越來越多的關注。電動汽車以車載電源為動力，用電動機驅動車輪行駛，具有低噪聲、零排放、無污染的突出優點，是當前能源短缺以及人們對環境要求下的必然產物。目前，電動汽車所采用的電驅動系統主要有交流異步電機驅動系統、無刷直流電機驅動系統、開關磁阻電機驅動系統和永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)驅動系統四種。其中，PMSM因功率密度大、效率高、轉子損耗小、噪聲低等優點，其驅動系統具有更優的綜合指標，是電動汽車電驅動系統的理想選擇，近年來被廣泛應用于電動汽車的電驅動系統中。

對于PMSM的控制精度，在很大程度上取決于轉子位置檢測的精度。傳統的獲取轉子位置的方法是通過旋轉變壓器、光電編碼器等高分辨率位置傳感器實現的。這些高分辨率的位置傳感器是與電機轉子同軸連接的，由于轉子機械位置與轉子的磁通位置相同，因此通過檢測轉子的機械位置，就夠準確實時地獲得高分辨率轉子的磁通位置。為減小位置檢測的成本，無位置傳感器控制技術得到發展。文獻[5-7]對無傳感器控制技術進行了分析，通過檢測電流、電壓等變量，結合電機本身參數，對轉子位置進行估計，但其控制算法復雜，對參數要求高，且無法適用于全速范圍。因此，基于低分辨率位置傳感器的方案成為一種兼顧成本與性能的選擇。低分辨率位置傳感器常用的有開關型霍爾元件，具有成本低、體積小、安裝簡便、可靠性高等優點。但其輸出位置信號分辨率低，每個電周期只能提供6個離散的轉子位置信號,無法對轉子位置進行準確實時的檢測，不能滿足正弦波驅動的要求。

本文主要研究通過對低分辨率位置傳感器信號進行分析和處理，實現精確計算電機轉速及估算轉子位置，提出的角度慢校正的控制方法能有效抑制轉矩脈動，電機運行平穩，具有較好的工程應用價值。

1 霍爾元件檢測位置原理

PMSM在定子側互差120°電角度的位置安裝3個霍爾元件，用于檢測轉子位置：當電機轉動時，產生相位相差120°的方波信號。本控制系統中使用的是單極性霍爾元件，僅在轉子磁極為S極時輸出高電平，其他時候輸出低電平。PMSM轉子逆時針連續旋轉時，3個霍爾元件的輸出信號如圖1所示。

圖1 電機逆時針旋轉對應的霍爾信號

從圖1可知，霍爾信號高電平和低電平時間不對稱，高電平時間略長于低電平時間，這是由于霍爾元件為單極性的緣故。

為獲取轉子角度，首先需要確定轉子角度為零時對應的霍爾信號情況。給電機的繞組通小于額定電流的直流電流，使電機轉子定向，通過該方法來確定轉子位置和霍爾信號的對應關系。實際中將電機的A相接電源正極，BC兩相并在一起后接電源負極，通入小于額定電流的直流電流，在無外力作用下，定子磁場與轉子磁極永磁場相互作用，最終定位至互差0°相位的平衡位置上，此時為A相軸線位置，轉子角度為零。零位確定以后，根據霍爾信號順序，得出霍爾信號與轉子角度對應關系如表1所示。

表1 霍爾信號與轉子角度關系

通過讀取的霍爾信號可以得到轉子的絕對位置，但這樣只能確定轉子所在的區間，并不能確定轉子的準確位置，不能滿足永磁同步電機矢量控制的要求。因此，還需要根據轉速情況對轉子位置進行實時估計。

2 轉速計算

為估算轉子實時角度，需進行電機轉速的計算。因本控制器電機的最高轉速為3000r/min，不是很高，故采用T法測速。所謂T法測速，就是用一個已知頻率的高速時鐘脈沖對位置傳感器的輸出脈沖信號進行計數，進而得到位置傳感器兩個相鄰輸出脈沖的時間間隔，并由此來計算轉速。因測速時間源于位置傳感器輸出脈沖的周期，所以又稱為周期法。

本控制器的硬件平臺是基于數字信號控制器STM32F103RBT6實現的。STM32的定時器可配置為輸入捕獲模式，在該模式下，當檢測到霍爾傳感器發生設定的邊沿跳變時，計數器的當前值被鎖存到捕獲/比較寄存器中，通過該計數值及計數器的頻率，即可得到計時時間，進而得出當前電機的轉速。計算公式如下：

(1)

式中：fclk——計數器的頻率；

P——電機轉一圈輸出的霍爾脈沖數；

M——計數器的值。

盡管用定時器測轉速的原理很簡單，但在測量兩個脈沖之間的時間時，存在半個時間單位的問題，最大可能會有2個時間單位的誤差，為此，若想得到更準確的轉速應盡量將時間單位設得小一些。但在低速時，兩個脈沖的時間間隔較長，16位的計數器會出現溢出。所以，合理設置定時器的時間單位，保持最佳的分辨率對轉速計算至關重要。

定時器為保持最佳的分辨率，在運行時需要不斷調整定時器的時鐘分頻。其基本原理如下：如果捕獲的值太低了就加快定時器；如果溢出了就放慢定時器。在捕捉中斷中修改預分頻器，利用緩存的優勢，只有在下次發生捕捉事件時才更新預分頻的值，而不會影響到當次捕獲的測量。具體原理如圖2所示。

圖2 輸入捕獲定時器的分頻設置

通過不斷調整定時器的分頻，使得計時時間更為精確，計算的轉速也更為精確，有益于轉子角度的準確估算。

3 轉子角度實時估算

在獲得6個離散的準確校正角度及電機轉速后，接下來就是估計電機轉子的實時角度。根據電機機械時間常數遠大于電氣時間常數的特點，認為電機在單個角度區間的轉速是均勻的，因此可以利用上一時刻計算的轉速估計電機在一定時間內轉過的角度，從而計算當前轉子的角度[10]。轉子角度估算示意圖如圖3所示。

圖3 轉子位置估算示意圖

圖3中θi-1、θi、θi+1為霍爾信號對應的校正值。假設上一扇區的平均轉速為ω，當前轉子的角度θt等于該扇區的起始角度θi加上從θi旋轉到θt的角度，計算式為

θt=θi+ωkT

(2)

式中：T——斬波周期；k——ti到t的斬波周期次數。

通過式(2)計算得到轉子角度。由于轉速計算誤差等原因的存在，當霍爾信號發生邊沿捕獲時，如果不考慮計算角度與校正值(真實角度)的偏差，強行將角度校正到校正值，可能造成角度的階躍變化，這樣勢必會引起電壓矢量的突變，造成電流波動。

本文提出了一種轉子角度慢校正的方法：當計算的角度與霍爾對應的校正值存在偏差時，根據轉速情況，在1/8電周期內均勻地補償回去，既保證了校正的及時性，又保證了轉子角度的連貫性，就能避免轉子角度的大幅度變化造成的電流波動，有利于電機的穩定控制。具體校正方法如圖4所示。

4 試驗結果

本控制系統所用電機為一臺安裝3個霍爾位置傳感器的PMSM，額定電壓為48V，功率為4kW，電機極對數為5。硬件驅動控制系統是基于數字信號控制器STM32F103RBT6實現的。在此硬件平臺上，分別采用強制校正和慢校正兩種方法對電機進行控制，試驗結果如下。

圖5為兩種不同控制方法下的角度情況，為了更清楚地對比兩種校正，將圖像進行局部放大，如圖5(b)所示。強制校正在霍爾邊界處將角度直接校正為正確值，轉子角度變化較大；慢校正的轉子角度則是經過1/8電周期校正到正確值，盡管在短時間內存在角度不準的情況，但避免了角度的較大變化，有利于電機的穩定控制。

兩種不同校正方式下的相電流波形如圖6所示。

圖4 轉子角度慢校正

圖5 兩種校正方法下的角度

圖6中通道1和通道4檢測的是A、B兩相相電流波形。從圖6(a)可知，強制校正轉子角度控制下，區間切換時轉子角度發生階躍變化，導致電流波形畸變較大，不利于電流的正弦波控制，電機運行不平穩；而慢校正則很好地避免了轉子角度的突變問題，如圖6(b)所示，電流波形平滑且更接近正弦波，有效地減小了電流波動，抑制轉矩脈動，此種方法控制下電機運行相對平穩。

圖6 強制校正和慢校正相電流波形對比圖

5 結 語

使用開關型霍爾元件作為位置傳感器，具有成本低、簡單方便等優點。為提高轉速估算的精度，對定時器的時鐘分頻進行實時修正，保證最佳分辨率。經過試驗驗證，角度慢校正的控制方法能有效減小電流波動，利于電機的矢量控制，電機運行平穩，適合應用于以PMSM作為驅動元件的電動汽車系統中。

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Controlling of Permanent Magnet Synchronous Motor in Electric Vehicle with Hall Position Sensors

ZHUMengmei,ZHANGYun,XIEZhaoyan,YINWei,MUYongyun,ZHAOBo

(Key Laboratory of Automotive Electronic Technology,Institute of Automation Shandong Academy of Sciences, Ji’nan 250014, China)

Using low-resolution hall position sensor to estimate the rotor angle and speed was introduced. A control method of rotor angle slowed correction was proposed, this method could effectively reduce the current fluctuations, which was conducive to the smooth control of the current. In the hardware platform based on the digital signal controller STM32F103RBT6, the sine wave vector control was realized. Slow angle correction method could effectively suppress the torque ripple, and the motor run smoothly.

permanent magnet synchronous motor(PMSM); hall position sensor; vector control; angle slow correction

朱孟美(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為電機控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)11- 0023- 05

2016-04-07