交流伺服電機(jī)霍爾位置傳感器關(guān)鍵技術(shù)綜述

韓膨合

摘要：交流伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于新能源、航空航天、家電等領(lǐng)域?；诖耍疚膶?duì)交流伺服電機(jī)霍爾位置傳感器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：交流伺服電機(jī);霍爾位置傳感器;關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)中，通常使用位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息及轉(zhuǎn)速。位置傳感器主要用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、磁編碼器等，雖然編碼器可獲得高分辨率轉(zhuǎn)子位置信息，但其高成本和大體積限制了其在低成本驅(qū)動(dòng)及精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，許多編碼器接口線路更易發(fā)生位置傳感器故障故障。

一、電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)

1、霍爾位置傳感器工作原理?；魻栁恢脗鞲衅魇且环N線性開(kāi)關(guān)傳感器，其輸出信號(hào)含有高次諧波，位置信息獲取算法復(fù)雜，開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器可產(chǎn)生高低穩(wěn)定邏輯電平?；魻栁恢脗鞲衅饕话阋钥臻g120°電角度均勻布置在電機(jī)端集成電路板上，或嵌入定子鐵芯內(nèi)（外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)），其中大多數(shù)使用與電機(jī)轉(zhuǎn)子相同極數(shù)的磁極片，霍爾傳感器根據(jù)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)磁極片的極性生成邏輯電平“0”或“1”。該布局使霍爾位置傳感器將電氣周期劃為六個(gè)扇區(qū)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)根據(jù)六個(gè)離散霍爾位置點(diǎn)換相（兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)驅(qū)動(dòng)方式）。但磁場(chǎng)定向控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子位置信息的分辨率要求高，從而衍生出基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)。與無(wú)位置傳感器控制方式相比，位置傳感器驅(qū)動(dòng)的交流伺服電機(jī)自起動(dòng)簡(jiǎn)單可靠，在寬調(diào)速范圍內(nèi)具有良好的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速性能。

2、電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)。當(dāng)前，在無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)定子繞組用短距和分布式繞組，反電動(dòng)勢(shì)接近正弦波。在此基礎(chǔ)上，磁場(chǎng)定向控制可應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)，永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制也需連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息。所以利用離散霍爾信號(hào)進(jìn)行高分辨率轉(zhuǎn)子位置信息預(yù)估是霍爾傳感器驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)控制的關(guān)鍵。

①線性外插法。1996年大阪府立大學(xué)的ShigeoMorimoto等提出一種基于硬件電路的線性外插法來(lái)預(yù)估轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速。俄亥俄州立大學(xué)JianrongBu以霍爾扇區(qū)為時(shí)間基值的轉(zhuǎn)速積分獲取轉(zhuǎn)子位置信息，并提出了該方法的軟件實(shí)現(xiàn)思路。之后，相關(guān)學(xué)者對(duì)此方法進(jìn)行了一系列研究改進(jìn)。

此外，雖然線性外插法轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)編程和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但在預(yù)估中引入了電機(jī)轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速（從霍爾扇區(qū)時(shí)間獲得），由于霍爾安裝位置偏差等因素，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，轉(zhuǎn)速閉環(huán)干擾增大，驅(qū)動(dòng)噪聲增大。

②矢量追蹤觀測(cè)器。矢量追蹤觀測(cè)器分為霍爾信號(hào)偏差模塊、控制模塊、帶轉(zhuǎn)矩前饋輸入的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模塊。霍爾信號(hào)偏差模塊是二維αβ空間靜止坐標(biāo)系中的霍爾信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置預(yù)估信號(hào)做差?？刂破鞑捎帽壤?積分-微分環(huán)節(jié)。根據(jù)電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，建立機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模塊，并在此基礎(chǔ)上，引入前饋轉(zhuǎn)矩輸入提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。矢量追蹤觀測(cè)器能在零速或低速下平穩(wěn)運(yùn)行，具有良好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能。然而，由于觀測(cè)器系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和霍爾信號(hào)的高次諧波干擾，估計(jì)性能在一定程度上降低。

為解決這些問(wèn)題，麥迪遜威斯康星大學(xué)的M.C.Harke提出了一種基于霍爾信號(hào)傅里葉（FFT）解耦反饋的矢量追蹤觀測(cè)器。然后，提出了一系列改進(jìn)的矢量追蹤觀測(cè)器法，取得了良好的預(yù)估性能。

2008年，韓國(guó)的Seung-kiSul教授為進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計(jì)的滯后，在減少穩(wěn)態(tài)誤差基礎(chǔ)上，提出了霍爾位置傳感器的級(jí)聯(lián)觀測(cè)器法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)靜差控制，進(jìn)一步提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速范圍。

二、霍爾位置傳感器安裝偏差補(bǔ)償技術(shù)

大多數(shù)交流伺服電機(jī)的研究默認(rèn)霍爾位置傳感器以120°電角度均勻布置在電機(jī)端部。但這一假設(shè)在低成本、低精度和大規(guī)模生產(chǎn)的交流伺服電機(jī)中無(wú)法得到保證。當(dāng)霍爾位置傳感器不再準(zhǔn)確排列時(shí)，電機(jī)換相順序?qū)⒁蛭恢闷疃で?/p>

1、基于平均濾波器的霍爾偏差補(bǔ)償。2007年，伊朗德黑蘭大學(xué)的PooyaAlaeinovin分析了霍爾安裝位置偏差對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的影響，提出了霍爾安裝位置偏差及傳感器、轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合度偏差檢測(cè)技術(shù)，并提出了兩種位置偏差補(bǔ)償技術(shù)。針對(duì)安裝位置偏差問(wèn)題，提出了基于霍爾位置信號(hào)輸入及輸出時(shí)序的四種平均濾波技術(shù)，輸出補(bǔ)償后虛擬霍爾信號(hào)。

2、基于改進(jìn)矢量追蹤觀測(cè)器的霍爾偏差補(bǔ)償。2008年，韓國(guó)的Seung-ki

Sul教授在級(jí)聯(lián)觀測(cè)器基礎(chǔ)上，提出一種電流注入及磁鏈觀測(cè)器相結(jié)合的方法來(lái)補(bǔ)償霍爾安裝偏差，通過(guò)將電流矢量注入同步坐標(biāo)系q軸，判斷估計(jì)與實(shí)際同步坐標(biāo)系dq軸線的超前和滯后關(guān)系，在同步坐標(biāo)系下，軸線滯后關(guān)系會(huì)引起線軸電流變化，影響電磁轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上，提出了霍爾傳感器角度偏差補(bǔ)償。

雖然帶霍爾偏差補(bǔ)償?shù)募?jí)聯(lián)觀測(cè)器能有效補(bǔ)償霍爾偏差，并具有良好的起動(dòng)性能，但它僅限于SPMSM，不能推廣到嵌入式交流同步伺服電機(jī)。2011年，韓國(guó)Sam-YoungKim提出了一種改進(jìn)的VTO電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估方案，考慮到霍爾傳感器偏差問(wèn)題，高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)轉(zhuǎn)速（基于霍爾扇區(qū)時(shí)間及角度）前饋輸入，補(bǔ)償安裝位置偏差。整體控制框圖由單位反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)速前饋輸入、控制器組成。

在交流伺服電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制中，反電動(dòng)勢(shì)幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，反電動(dòng)勢(shì)反映了轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置信息，然而，隨著轉(zhuǎn)速的降低，反電動(dòng)勢(shì)的幅值及頻率也隨之降低，所以硬件采樣電路精度要求高。2013年，弗吉尼亞理工大學(xué)面對(duì)反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器低速采樣精度低、計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，為進(jìn)一步提高預(yù)估性能，提出了一種基于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的VTO轉(zhuǎn)子位置預(yù)估方案。利用電流電壓模型建立磁鏈觀測(cè)器，將預(yù)估轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩比較，通過(guò)輸入補(bǔ)償器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行補(bǔ)償，該方法適用于SPMSM及IPMSM。

3、基于降階觀測(cè)器的霍爾偏差補(bǔ)償。VTO法霍爾安裝位置偏差補(bǔ)償能在穩(wěn)態(tài)預(yù)估中獲得良好的估計(jì)性能，然而，由于電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程依賴于其運(yùn)動(dòng)估計(jì)方程，所以負(fù)載時(shí)變下的估計(jì)及補(bǔ)償性能會(huì)受到影響。為解決這一問(wèn)題，韓國(guó)弘益大學(xué)Hyung-JinAhn于2016年提出了基于遺傳因素的最小二乘法來(lái)補(bǔ)償霍爾傳感器安裝位置誤差，利用二乘法估計(jì)得到的精確轉(zhuǎn)子位置信息作為降階觀測(cè)器（ROLB）的輸入，得到精確的轉(zhuǎn)子位置信息。該方法簡(jiǎn)單可靠，計(jì)算量小，預(yù)估性能不受負(fù)載變化影響。

三、霍爾位置傳感器故障容錯(cuò)技術(shù)

1、基于霍爾信號(hào)FFT解耦的容錯(cuò)控制。2013年，意大利卡塔尼亞大學(xué)的GiaCoMeCobe及羅馬大學(xué)的GiuliodeDonato最早提出了霍爾位置傳感器在線故障診斷及容錯(cuò)控制的研究。

單霍爾故障以檢測(cè)是否存在零矢量（Hα-Hβ），若存在零矢量，則為單霍爾故障，具體故障類型由零矢量后矢量相位判定;雙霍爾故障診斷僅取決于故障后剩余兩矢量位置關(guān)系。有18種單霍爾、雙霍爾故障，快速傅里葉分解（FFT）給出了對(duì)應(yīng)于18種類型的函數(shù)，并存儲(chǔ)在Lookuptable程序中。故障診斷完后，對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行解耦，根據(jù)故障類型向矢量追蹤觀測(cè)器提供基波信息反饋與高次諧波故障信息反饋，以完成故障診斷及補(bǔ)償。

基于坐標(biāo)變換的霍爾故障診斷方法雖能有效診斷各種故障，但故障診斷速度慢，計(jì)算量大，導(dǎo)致電機(jī)在故障診斷中的驅(qū)動(dòng)性能由于無(wú)法有效補(bǔ)償而突然下降。霍爾位置信號(hào)狀態(tài)值及跳變沿本身包含可用于檢測(cè)霍爾故障類型的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息與轉(zhuǎn)向信息。2016年，加拿大的LianghuiDong提出了一種基于霍爾信號(hào)狀態(tài)值與霍爾跳變沿相結(jié)合的故障檢測(cè)方法。

2、基于泰勒算法的容錯(cuò)控制。首次將基于平均轉(zhuǎn)速及加速度的轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)應(yīng)用于霍爾傳感器驅(qū)動(dòng)的交流伺服電機(jī)中，2016年GiacomoScelba提出了基于該預(yù)估技術(shù)的霍爾傳感器容錯(cuò)控制技術(shù)。

在霍爾故障后，與相鄰跳變沿相對(duì)應(yīng)的角度值存儲(chǔ)在lookuptable中，并結(jié)合與該角度相對(duì)應(yīng)的捕獲時(shí)間值來(lái)計(jì)算容錯(cuò)轉(zhuǎn)速，基于轉(zhuǎn)速積分能得到補(bǔ)償后電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，該方法簡(jiǎn)單可靠，可實(shí)現(xiàn)單/雙霍爾故障的有效補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)：

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