霍爾位置檢測的電動汽車永磁電機矢量控制

2018-09-28 06:12:20曲榮海李新華孔武斌

微特電機 2018年9期

易磊，曲榮海，李新華，孔武斌

(1.湖北工業大學，武漢 430068；2.華中科技大學，武漢 430074)

0 引言

內置式永磁同步電動機具有高效率、高功率密度和較低的轉矩脈動等優點，被廣泛用于電動汽車驅動領域。相對于無刷直流電動機的六步換相控制，永磁同步電動機磁場定向控制產生的轉矩脈動和噪聲較小，效率高，但磁場定向控制需要得到高精度的轉子位置信息。傳統的轉子位置檢測方法分為有位置傳感器法和無位置傳感器法，有位置傳感器法是在永磁同步電動機轉軸上安裝旋變、編碼器等，但位置傳感器成本高且易受環境干擾[1]；無位置傳感器法省去機械傳感器，可降低系統成本，但算法實現復雜，并且轉子初始位置檢測和帶載起動困難，不適用于電動汽車應用場合[2]。

霍爾位置傳感器具有安裝簡單、體積小、成本低等特點，但是其輸出位置信號分辨率低，每個電周期只有6個離散的轉子位置信息，不能滿足磁場定向控制的要求。因此通過對低分辨率轉子位置信息進行位置估算算法的研究，得到與高精度位置傳感器類似的轉子位置和速度，已經成為低分辨率位置估算轉子位置技術的關鍵[3-7]。

本文提出采用低分辨率霍爾位置傳感器進行電動汽車用內置式永磁同步電動機磁場定向控制的方法。內置式永磁同步電動機轉子結構為V形磁鋼，利用與轉子同軸連接的磁環和安裝在端蓋上的霍爾位置傳感器檢測轉子離散位置。在6個離散轉子角度基礎上通過平均速度法獲得連續轉子位置，從而實現磁場定向控制，降低電機轉矩脈動，提高系統舒適性。

電動汽車運行時需要滿足低速大轉矩和高速恒功率的要求，在電池容量和安裝空間受限的前提下，為提高電機運行速度，需要采用弱磁控制。由于電動汽車運行工況復雜，并且存在交直軸電感和磁鏈等時變問題，通過采用基于電壓外環的弱磁控制，實現電機弱磁升速，提高系統控制的魯棒性。

1 永磁電機數學模型和矢量控制

內置式永磁同步電動機通過利用磁阻轉矩可有效實現大扭矩和高轉速要求，采用恒相幅值變換得到d,q旋轉坐標系下永磁同步電動機的數學模型如下。

電壓方程：

(1)

磁鏈方程：

(2)

電磁轉矩方程:

(3)

式中：ud，uq分別為d，q軸電壓；id，iq分別為d，q軸電流；Ld，Lq分別為d，q軸電感；Rs為定子電阻；ψf為永磁體磁鏈；ωe為轉子電角速度。

電動汽車用內置式永磁同步電動機采用轉矩控制方式，基于最大轉矩電流比控制策略來實現d，q軸電流分配，通過霍爾位置傳感器和估算算法得到轉子位置，控制系統框圖如圖1所示。

圖1 基于霍爾位置傳感器的永磁電機磁場定向控制

從圖1可看出，采用霍爾位置傳感器的永磁同步電動機，起動和低速階段坐標變換采用離散轉子位置，高速后采用位置估算算法得到連續的轉子位置信號，從而實現起動過程中方波和正弦波電流切換。基于轉子磁場定向的矢量控制需要合理分配定子的電流大小和相位，而定轉子磁場相位關系主要通過位置估算算法得到，因此能否通過霍爾位置傳感器得到精確的轉子位置信號直接影響控制性能的好壞。

2 轉子位置估算原理

2.1 霍爾位置傳感器

永磁同步電動機轉子位置通過3路互差120°的開關型霍爾位置傳感器得到，考慮到電樞反應會造成氣隙磁場畸變，因此實際應用中采用與轉子磁鋼同軸連接的磁環。當電機旋轉時，3路霍爾傳感器輸出互差120°、脈寬180°電角度的方波信號，其中逆時針運行時霍爾位置信號如圖2所示。

圖2 逆時針霍爾位置信號

從圖2可以看出，電機逆時針旋轉時霍爾信號相序為a，b，c，對應霍爾狀態Hcba為1-3-2-6-4-5。同理，可以根據旋轉磁場關系得到，順時針霍爾信號相序為a，c，b，對應霍爾狀態Hcba為1-5-4-6-2-3。由此，可以根據霍爾狀態變化序列，判斷出電機的旋轉方向，實現在霍爾邊沿處由不同狀態下轉子離散位置校正。

根據霍爾傳感器和定子三相繞組軸線相對位置，得到低分辨率轉子位置和霍爾狀態關系，如圖3所示，其中轉子位置定義為d軸與A軸夾角。

圖3 霍爾狀態與低分辨率轉子位置

由圖3可直觀看到，當霍爾邊沿發生時，根據不同霍爾狀態，可得到對應的低分辨率轉子位置。電機處于不同旋轉方向下，對于同一霍爾狀態而言，邊沿處校正的轉子位置有所不同，其中逆時針旋轉對應的低分辨率轉子位置比順時針小60°。由于電機起動和低速階段的位置估算算法誤差較大，此時坐標變換采用扇區的中間角度，由圖3可知，存在±30°角度誤差，對應的電流驅動為方波電流，轉矩脈動較大。在高速下，基于霍爾位置傳感器信號，通過位置估算算法可得到電機連續轉子位置，實現矢量控制。

2.2 轉子位置估算方法

由于3路霍爾位置傳感器每個電周期只提供6個離散的位置信號，無法滿足永磁同步電動機矢量控制要求，因此需要利用位置估算方法得到連續的轉子位置,常用的位置估算算法包括平均速度法和平均加速度法等。

其中，平均速度法適用于電機穩態運行，但是電機起動或者轉速突變時，可能會存在估算誤差。在一階算法中引入平均加速度法能夠解決轉速突變情況下帶來的誤差，但是階數的提高必然導致算法過于復雜化，實用性不足。同時，在上述2種方法中，存在一個最小轉速使得算法不能成立，因此需要單獨設計起動方法[8-10]。

采用平均速度法的位置估算算法，其基本原理：根據電機的機械時間常數遠大于電氣時間常數，假定每60°霍爾區間內轉子速度是均勻的，因此可以利用上一個區間的平均速度作為下一個區間的初始速度，通過對速度的積分得到連續的轉子位置信號，在霍爾邊沿處對轉子位置進行強制校正以消除估算誤差，轉子位置估算算法示意圖如圖4所示。

圖4 轉子位置估算算法示意圖

對于圖4中t時刻轉子位置θest計算公式：

(4)

θest=θi+kωi-1Ts

(5)

θi≤θest≤θi+1

(6)

式中：ωi-1為扇區i-1內平均速度；Ti-1和Ti分別為扇區i-1，i所用時間；Ts為采樣周期；k為采樣次數；θi-1，θi，θi+1分別為低分辨率位置信號。當到達霍爾信號邊沿處時即進行強制校正，如式(6)所示，經過位置校正后，消除估算累計誤差。通過位置估算算法得到連續的轉子位置信號，根據磁場定向控制的原理實現永磁同步電動機轉矩控制[11]。

3 基于電壓外環的弱磁控制

為解決永磁同步電動機因高速運行造成電壓過高而導致電流調節器飽和的問題，提出弱磁控制策略以降低電機電壓，常用的控制方法包括超前角弱磁調速法、查表法、電流調節器法等[12]。為實現電流調節器退飽和，可以利用d軸去磁電流抵消永磁體磁場，使電機端電壓不超過逆變器電壓極限值。由于d軸去磁電流和電機端電壓及母線電壓有關，因此，通過利用電機端電壓和母線電壓作為電壓環輸入，經過PI運算后輸出d軸去磁電流，基于電壓外環的弱磁控制策略如圖5所示。

圖5 弱磁控制策略框圖

圖5中，當電機低速運行時，電機端電壓低于母線電壓，電壓外環PI輸出限幅值為0，此時電壓調節器不起作用，電機運行在恒轉矩模式下。當電機運行在高速時，此時電機端電壓超過逆變器輸出極限值，電壓外環起作用，輸出去磁電流以抵消永磁體磁場。由于電機相電流受到逆變器限制，因此d軸電流需要限制在最大電流下，對應此時q軸電流進行限幅。最終通過弱磁控制保證電機運行于恒功率模式，電機電壓和電流均達到極限值。采用該方法可以最大程度地利用母線電壓，由于采用電壓外環PI，具有一定的魯棒性，不需要依賴電機參數。

4 實驗結果

4.1 實驗平臺

為驗證采用低分辨率霍爾傳感器實現永磁同步電動機矢量控制和電動汽車轉矩控制，本文搭建了永磁同步電動機調速系統，如圖6所示。該系統主要由蓄電池、STM32F103核心控制板、MOSFET 并聯逆變橋、永磁電機和磁粉制動器負載組成。

圖6 永磁同步電動機調速系統框圖

根據電動汽車性能指標要求，本文選擇的內置式永磁同步電動機具體參數如表1所示。

表1 內置式永磁同步電動機主要參數

電機與控制器系統測試平臺如圖7所示。測試電機經減速器后連接磁粉制動器負載，測試數據利用功率分析儀WT1800和錄波儀DL850得到，相關觀測變量通過D/A芯片輸出。

圖7 實驗平臺示意圖

4.2 實驗結果與分析

圖8為電機逆時針起動階段實驗結果，轉子角度采用霍爾狀態對應的扇區中間角度，通過減小角度誤差以實現負載下電機順利起動。圖9為電機電流和位置角切換過程的實驗結果，圖9(a)切換點處電流平滑地過渡到正弦波驅動，電流突變較小；圖9(b)中轉子位置完成從離散切換到連續角度，在霍爾邊沿處進行位置校正以消除累計誤差。圖8和圖9實驗結果表明，電機可實現負載條件下正常起動和電流切換過程。