基于霍尔位置传感器的电动汽车用永磁同步电机的控制

朱孟美，张 云，解兆延，尹 伟，慕永云，赵 波

(山东省科学院自动化研究所 汽车电子技术重点实验室， 山东 济南 250014)



基于霍尔位置传感器的电动汽车用永磁同步电机的控制

朱孟美，张 云，解兆延，尹 伟，慕永云，赵 波

(山东省科学院自动化研究所 汽车电子技术重点实验室， 山东 济南 250014)

介绍了采用低分辨率霍尔位置传感器估算转子角度和转速的基本原理，提出了在永磁同步电机(PMSM)中应用的一种转子角度慢校正控制方法，能有效减小电流的波动，利于电流的平滑控制。在基于数字信号控制器STM32F103RBT6的硬件平台上，实现正弦波矢量控制，角度慢校正的方法能有效抑制转矩脉动，电机运行平稳。

永磁同步电机； 霍尔位置传感器； 矢量控制； 角度慢校正

0 引 言

随着能源短缺的日益凸显以及环境污染的日益恶化，电动汽车作为一种使用电能驱动的新能源汽车，受到人们越来越多的关注。电动汽车以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，具有低噪声、零排放、无污染的突出优点，是当前能源短缺以及人们对环境要求下的必然产物。目前，电动汽车所采用的电驱动系统主要有交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)驱动系统四种。其中，PMSM因功率密度大、效率高、转子损耗小、噪声低等优点，其驱动系统具有更优的综合指标，是电动汽车电驱动系统的理想选择，近年来被广泛应用于电动汽车的电驱动系统中。

对于PMSM的控制精度，在很大程度上取决于转子位置检测的精度。传统的获取转子位置的方法是通过旋转变压器、光电编码器等高分辨率位置传感器实现的。这些高分辨率的位置传感器是与电机转子同轴连接的，由于转子机械位置与转子的磁通位置相同，因此通过检测转子的机械位置，就够准确实时地获得高分辨率转子的磁通位置。为减小位置检测的成本，无位置传感器控制技术得到发展。文献[5-7]对无传感器控制技术进行了分析，通过检测电流、电压等变量，结合电机本身参数，对转子位置进行估计，但其控制算法复杂，对参数要求高，且无法适用于全速范围。因此，基于低分辨率位置传感器的方案成为一种兼顾成本与性能的选择。低分辨率位置传感器常用的有开关型霍尔元件，具有成本低、体积小、安装简便、可靠性高等优点。但其输出位置信号分辨率低，每个电周期只能提供6个离散的转子位置信号,无法对转子位置进行准确实时的检测，不能满足正弦波驱动的要求。

本文主要研究通过对低分辨率位置传感器信号进行分析和处理，实现精确计算电机转速及估算转子位置，提出的角度慢校正的控制方法能有效抑制转矩脉动，电机运行平稳，具有较好的工程应用价值。

1 霍尔元件检测位置原理

PMSM在定子侧互差120°电角度的位置安装3个霍尔元件，用于检测转子位置：当电机转动时，产生相位相差120°的方波信号。本控制系统中使用的是单极性霍尔元件，仅在转子磁极为S极时输出高电平，其他时候输出低电平。PMSM转子逆时针连续旋转时，3个霍尔元件的输出信号如图1所示。

图1 电机逆时针旋转对应的霍尔信号

从图1可知，霍尔信号高电平和低电平时间不对称，高电平时间略长于低电平时间，这是由于霍尔元件为单极性的缘故。

为获取转子角度，首先需要确定转子角度为零时对应的霍尔信号情况。给电机的绕组通小于额定电流的直流电流，使电机转子定向，通过该方法来确定转子位置和霍尔信号的对应关系。实际中将电机的A相接电源正极，BC两相并在一起后接电源负极，通入小于额定电流的直流电流，在无外力作用下，定子磁场与转子磁极永磁场相互作用，最终定位至互差0°相位的平衡位置上，此时为A相轴线位置，转子角度为零。零位确定以后，根据霍尔信号顺序，得出霍尔信号与转子角度对应关系如表1所示。

表1 霍尔信号与转子角度关系

通过读取的霍尔信号可以得到转子的绝对位置，但这样只能确定转子所在的区间，并不能确定转子的准确位置，不能满足永磁同步电机矢量控制的要求。因此，还需要根据转速情况对转子位置进行实时估计。

2 转速计算

为估算转子实时角度，需进行电机转速的计算。因本控制器电机的最高转速为3000r/min，不是很高，故采用T法测速。所谓T法测速，就是用一个已知频率的高速时钟脉冲对位置传感器的输出脉冲信号进行计数，进而得到位置传感器两个相邻输出脉冲的时间间隔，并由此来计算转速。因测速时间源于位置传感器输出脉冲的周期，所以又称为周期法。

本控制器的硬件平台是基于数字信号控制器STM32F103RBT6实现的。STM32的定时器可配置为输入捕获模式，在该模式下，当检测到霍尔传感器发生设定的边沿跳变时，计数器的当前值被锁存到捕获/比较寄存器中，通过该计数值及计数器的频率，即可得到计时时间，进而得出当前电机的转速。计算公式如下：

(1)

式中：fclk——计数器的频率；

P——电机转一圈输出的霍尔脉冲数；

M——计数器的值。

尽管用定时器测转速的原理很简单，但在测量两个脉冲之间的时间时，存在半个时间单位的问题，最大可能会有2个时间单位的误差，为此，若想得到更准确的转速应尽量将时间单位设得小一些。但在低速时，两个脉冲的时间间隔较长，16位的计数器会出现溢出。所以，合理设置定时器的时间单位，保持最佳的分辨率对转速计算至关重要。

定时器为保持最佳的分辨率，在运行时需要不断调整定时器的时钟分频。其基本原理如下：如果捕获的值太低了就加快定时器；如果溢出了就放慢定时器。在捕捉中断中修改预分频器，利用缓存的优势，只有在下次发生捕捉事件时才更新预分频的值，而不会影响到当次捕获的测量。具体原理如图2所示。

图2 输入捕获定时器的分频设置

通过不断调整定时器的分频，使得计时时间更为精确，计算的转速也更为精确，有益于转子角度的准确估算。

3 转子角度实时估算

在获得6个离散的准确校正角度及电机转速后，接下来就是估计电机转子的实时角度。根据电机机械时间常数远大于电气时间常数的特点，认为电机在单个角度区间的转速是均匀的，因此可以利用上一时刻计算的转速估计电机在一定时间内转过的角度，从而计算当前转子的角度[10]。转子角度估算示意图如图3所示。

图3 转子位置估算示意图

图3中θi-1、θi、θi+1为霍尔信号对应的校正值。假设上一扇区的平均转速为ω，当前转子的角度θt等于该扇区的起始角度θi加上从θi旋转到θt的角度，计算式为

θt=θi+ωkT

(2)

式中：T——斩波周期；k——ti到t的斩波周期次数。

通过式(2)计算得到转子角度。由于转速计算误差等原因的存在，当霍尔信号发生边沿捕获时，如果不考虑计算角度与校正值(真实角度)的偏差，强行将角度校正到校正值，可能造成角度的阶跃变化，这样势必会引起电压矢量的突变，造成电流波动。

本文提出了一种转子角度慢校正的方法：当计算的角度与霍尔对应的校正值存在偏差时，根据转速情况，在1/8电周期内均匀地补偿回去，既保证了校正的及时性，又保证了转子角度的连贯性，就能避免转子角度的大幅度变化造成的电流波动，有利于电机的稳定控制。具体校正方法如图4所示。

4 试验结果

本控制系统所用电机为一台安装3个霍尔位置传感器的PMSM，额定电压为48V，功率为4kW，电机极对数为5。硬件驱动控制系统是基于数字信号控制器STM32F103RBT6实现的。在此硬件平台上，分别采用强制校正和慢校正两种方法对电机进行控制，试验结果如下。

图5为两种不同控制方法下的角度情况，为了更清楚地对比两种校正，将图像进行局部放大，如图5(b)所示。强制校正在霍尔边界处将角度直接校正为正确值，转子角度变化较大；慢校正的转子角度则是经过1/8电周期校正到正确值，尽管在短时间内存在角度不准的情况，但避免了角度的较大变化，有利于电机的稳定控制。

两种不同校正方式下的相电流波形如图6所示。

图4 转子角度慢校正

图5 两种校正方法下的角度

图6中通道1和通道4检测的是A、B两相相电流波形。从图6(a)可知，强制校正转子角度控制下，区间切换时转子角度发生阶跃变化，导致电流波形畸变较大，不利于电流的正弦波控制，电机运行不平稳；而慢校正则很好地避免了转子角度的突变问题，如图6(b)所示，电流波形平滑且更接近正弦波，有效地减小了电流波动，抑制转矩脉动，此种方法控制下电机运行相对平稳。

图6 强制校正和慢校正相电流波形对比图

5 结 语

使用开关型霍尔元件作为位置传感器，具有成本低、简单方便等优点。为提高转速估算的精度，对定时器的时钟分频进行实时修正，保证最佳分辨率。经过试验验证，角度慢校正的控制方法能有效减小电流波动，利于电机的矢量控制，电机运行平稳，适合应用于以PMSM作为驱动元件的电动汽车系统中。

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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，硕士研究生，研究方向为电机控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)11- 0023- 05

2016-04-07