基于霍爾傳感器的永磁同步電機位置分析

摘要：永磁同步電機的矢量控制需要確定轉子的位置以及轉速信息，其準確性往往決定著整個矢量控制系統的運行穩定性，而在永磁同步電機的運行中應用霍爾傳感器可有效提高位置分析的準確性。基于此，本文從永磁同步電機的運行特點出發，分析霍爾傳感器在位置檢測中的應用現狀，最后提出霍爾傳感器在位置確定應用中的精確度提升方法，以供參考。

關鍵詞：霍爾傳感器；永磁同步電機；位置分析

一、永磁同步電機特點

在結構特點上，與旋轉電機相比，永磁同步電機的結構更加簡單，在傳動結構上并不需要用到傳統的滾珠絲杠等形式，在實際運行中具有定位精度高、運動行程上沒有限制等優點。現如今，永磁同步電機主要應用在現代化數控機床、光刻機以及電磁彈射等領域，在加工制造、新能源汽車開發上都取得了一定的成果。與此同時，在應用領域不斷拓展的情況下，對永磁同步電機的驅動控制要求也在不斷提高，不管是在成本控制上，還是在控制精度、響應速度的提高上，都有著新的發展需求。

在永磁同步電機的位置分析中，較常見的位置傳感器是光柵尺或磁柵尺，具有較高的位置分辨能力以及長度上的靈活性。例如，常見的海德漢絕對式光柵尺在檢驗精度上可以達到10nm的分辨率。但光柵尺與磁柵尺的問題也較明顯。一方面，光柵尺與磁柵尺傳感器的制造使用成本較高，在生產中不便推廣；另一方面，永磁同步電機主要用于汽車制造以及加工制造行業，導致光柵尺、磁柵尺易受惡劣環境影響的弱點被放大。在汽車制造或加工制造時，外界振動或環境中粉塵的含量都會影響傳感器的功能，因此，需要挑選更具實用價值的傳感器。

二、霍爾傳感器位置檢測使用現狀

霍爾傳感器在實際的使用過程中效果明顯，應用在永磁同步電機的位置分析時，可以降低驅動控制系統的制造價格，且霍爾傳感器的體積較小，重量相對較小，能在不同的永磁同步電機結構中得以應用。但霍爾傳感器在實際應用中還存在一些問題。當永磁同步電機中使用多個霍爾傳感器時，各個傳感器器件之間標度與偏置程度不統一的情況會導致電機位置監測的精度下降。同時，在永磁同步電機的制造中也存在著磁鋼充磁不均勻、安裝偏差的問題，導致電機內部的定子磁場呈現不夠理想的正弦波，干擾霍爾傳感器的位置檢測功能，由此影響檢測精度。

三、霍爾傳感器的永磁同步電機位置分析優化方法

（一）霍爾傳感器安裝

霍爾傳感器作為一種利用霍爾效應進行磁電轉換的位置信號傳感器，安裝質量會直接影響整個系統的控制功能。所以在安裝前要明確霍爾傳感器的主要使用類型，結合實際的電機使用情況選擇合理的安裝方式。首先，開關型霍爾傳感器。該型傳感器主要指單級接近型，依靠磁敏傳感實現功能，通常具有較靈活的應用能力，在工作中能適應較寬的工作電壓類型，采用頻率較高。其次，鎖存型霍爾傳感器。開關型霍爾傳感器輸出的信號主要與磁場強度相關，與磁極的極性變化無關，而鎖存型霍爾傳感器可以通過感應磁極的雙擊新變化輸出信號。最后，線性型霍爾傳感器。該型傳感器主要依據磁場的強度輸出電壓模擬量，以此分析電機位置。

在安裝霍爾傳感器時，需要在永磁同步電機內找到電機定子繞組的合適位置。通常情況下，安裝方式包括60°電角度安裝和120°電角度安裝。以四對電機極轉子為例，使用60°電角度安裝方式，當永磁同步電機運行時，轉子保持勻速旋轉，三個霍爾傳感器輸出的三路霍爾信號之間相差的角度也依次相差60°，而使用120°的安裝方式，輸出的霍爾信號也依次相差120°。

在實際運轉中，可以根據三個霍爾傳感器傳輸的霍爾位置信號，分析電機轉子目前所處的霍爾狀態區間，從而進一步確定電機當前所處的區間狀態，進而確定電機位置。同時，通過計算完整的霍爾狀態花費的時間，獲得永磁同步電機內永磁轉子通過霍爾區間時的平均角速度，從而在位置分析中不斷修正轉子在角度上的誤差。

（二）基于霍爾傳感器的永磁同步電機位置檢測

在永磁同步電機中，位置檢測作為驅動控制中重要內容，會影響整個電機控制系統的控制精度，可以通過以下方法實現精確化檢測：

1.磁場信號諧波消除

在消除磁場信號諧波時主要使用延時信號消除法。延時信號消除法主要在電網的鎖相環系統中，用來消除負序的基波分量，從而精準估計電網中不平衡電壓的電壓相位。基本的應用思想是延遲處在αβ坐標系下的電壓量，通常是1/4個周期，并與原始信號結合，進而消除諧波信號，同時能有效確保諧波信號消除后基波分量不會產生延時或衰減，確保基波質量，避免相位誤差的產生。在實際使用中，為了達到任意次諧波的消除效果，通常會將多個延時信號器進行級聯，通過延時信號消除運算器的處理后，輸出僅包括基波分量的信號。

2.電機位置解算

在消除諧波影響后，提高位置分析能力時，應適當提高電機位置的計算能力。在一般的電機位置計算中，通常使用鎖相環方法。鎖相環主要廣泛地應用在電力電子系統中，對于分布式電網、柔性交流傳輸甚至是高壓直流傳輸都有著強化同步性的效果。鎖相環主要由鑒相器、環路濾波器以及壓控振蕩器三個模塊構成，能將輸出信號與輸出信號的頻率和相位進行同步的閉環控制系統。環路濾波器的主要原理式為：e=sinθcosα－sinαcosθ，其中，e為誤差項，θ為角度的實際值，α為角度的估計值。當兩者不同時，就會產生誤差項，通過環路濾波器后就能得到相應的預估角速度值，根據預估角速度值通過積分計算得到預估角度，再進行誤差項計算，通過不斷的閉環運算，將最終的角度誤差恢復為零，形成對運行角度的閉環預估。但傳統的鎖相環結構在運行上較簡單，當信號畸變較嚴重時，相位估計很容易產生較大的誤差。為了提高鎖相環系統在信號環境中的運算穩定性，可以使用Ⅲ型鎖相環。Ⅲ型鎖相環在使用上主要對傳統的鎖相環做出兩方面改進：第一，改造傳統鎖相環中的環路濾波器及其系統型號；第二，在鎖相環結構中增加一個前饋通道，通過在系統中引入一個坐標變換的環節，提高整個系統的穩定程度。上述兩種方法各有優點，第一種的方式在結構設計上較簡單，參數設計的難度不高，但穩定性不夠；第二種的方式能獲得更高的穩定性，使鎖相環在低環路增益時也能保持系統的穩定性，但也會增加前饋通道，使整個鎖相環系統更加復雜，而且在運行中可能產生更多的諧波噪聲。因此，要根據設計使用傾向進行選擇。

（三）霍爾傳感器自標定算法位置確定

1.基于反電勢的自標定算法

基于反電勢自標定算法的功能實現，主要通過霍爾傳感器在運行中對單相反電勢過零點的標定確定轉子位置。在實際計算中，要將V和W兩相的反電勢進行差值計算，得到的與U相反電勢相位差。然后，對幅值為U相反電勢幅值的倍的結果進行計算標定。ωe為電較速度，t為時間，三相電壓相鄰兩相相位差為2π/3。

V與W兩相的反電勢差值計算公式為：υv－υw=cos（ωet）=sin（ωet+π/2）

實際操作中，要以U相過零點為標準，將V相與W相兩者反電勢差的波峰作為標定過程，表明在對轉子位置進行標定的過程中只需利用V相和W相的相反電勢，無需模擬三相中性點采集中性電壓增加計算的工作量。

其中，ΔT1為波峰與U相過零點之間的時間差，ΔT2為運行中電周期的時間，ΔT3為霍爾傳感器跳變沿與V相和W相的反電勢差的波峰時間段，具體變化情況如圖1所示。根據驗證表明，反電勢并非一條平滑的正弦曲線，如果僅通過AD采集結果進行測算，就會導致在過零點區域判斷出現多次過零點現象，進而難以精準找出驗證點和驗證時間。如果此時加入濾波計算，又會導致相位不準確，造成標定誤差。

為驗證等式模型的精準性，又再次進行了測算，得出了以下兩組數據，如表1、表2所示，該算法存在誤差較小，整體上可行，但在實際應用中受相關因素影響，還會導致采集誤差、計時誤差以及計算錯誤等問題。其中，最大的優勢為適用于各種工況條件，對負載和摩擦等因素的要求較低，但對電機轉動速度具有更高的標準。

2.基于平均轉速的自標定算法

永磁同步電機（忽略飽和凸極效應）用等式可表示為Te=1.5pψfiq。假設dq坐標軸位置為轉子位置，d’q’為實際位置，二者存在一定角度差，實際電流會被分量，進而產生扭矩。因此，在通過基于平均轉速進行自標定的算法確定轉子位置時，要假設永磁同步電機轉子當前處在任意位置，并利用d軸電流標定法，標定電機轉子的位置。該方法具有一定限制性，一旦處于動態變化，難以確保測算精度，尤其在變速情況下，使用該方法進行計算，會影響轉子位置的預估。所以為確保標定準確性，自標定需保持穩態條件。

假設轉子處任意位置，利用d軸電流標定法，找到霍爾傳感器實際位置，再利用平均轉速法估計轉子轉過的角度。這種標定法具有一定缺陷，主要體現在負載和摩擦的影響，轉子轉動過程中產生的自摩擦無法避免。除此之外，平均轉速也存在一定誤差，在預設條件下，永磁同步電機的運轉狀態較穩定，使用平均轉速自標定定位轉子位置，準確性相對較高，如果轉子位置在0，標定過程起始于靜止狀態，一旦進入到加速階段，角度相差較小，對應誤差也較小，標定結果小于霍爾傳感器實際位置。但如果處于非理想狀態，產生的誤差相對較大，難以進行精準標定。

霍爾位置傳感器計算的位置結果存在一定跳變情況，一個電周期內跳變次數可達6次。兩種自標定測算得到的最終結果之間存在的誤差較小，主要取決于平均轉速標定結果與反電勢標定二者之間的結果較小，使得旋轉變壓器定位的轉子位置與自標定檢驗的位置結果誤差較小，自標定結果如表3所示。

四、結語

當前，永磁同步電機在工業制造生產中應用越來越廣，應積極利用霍爾傳感器改進對電機轉子位置的確定分析技術，以更加精確的計算和濾波方式，提高霍爾傳感器的運行能力，避免負面影響，優化系統設計與算法，減輕標定工作量，更高效地進行永磁同步電機控制。

參考文獻：

[1]王賢會，李克靖，吳玨，等.基于霍爾傳感器的永磁同步電機位置研究[J].電子與封裝，2021，21（06）：89-92.

[2]石國雄.基于霍爾傳感器的電動車永磁同步電機控制技術研究[D].重慶：重慶大學，2021.

[3]羅濱.基于霍爾傳感器的永磁同步電機矢量控制系統設計[D].長沙：湖南大學，2019.

[4]張余超.基于霍爾傳感器的高速永磁同步電機矢量控制研究[D].天津：河北工業大學，2019.

[5]宋潔.基于霍爾傳感器的車用電機控制系統設計及控制策略研究[D].秦皇島：燕山大學，2019.

作者簡介：易小芳（1982），女，江西省萍鄉市人，碩士，高級工程師，主要研究方向為電路設計、電磁兼容性設計、電機控制等。