《电工技术学报》2019年优秀论文｜基于霍尔矢量相位跟踪的永磁同步电机转子位置与速度估算方法

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

《电工技术学报》

2019年度优秀论文

—获奖论文简报—

《光伏发电出力预测技术研究综述》等15篇优秀论文入选《电工技术学报》2019年度优秀论文，荣获中国电工技术学会表彰。现将部分获奖论文的文章简报分享给各位读者，以期促进本领域的技术交流。

永磁同步电机因其具有体积小、重量轻、能量密度高和运行可靠性高等优点而逐渐成为交流调速和伺服系统的主流驱动单元，在航空航天、汽车和家电等领域都有着广泛的应用。

对电机进行高性能控制首先需要获得准确的转子位置，开关式霍尔传感器以其体积小、成本低、抗干扰性强的优点通常应用于无刷直流电机中，提供电机换相的参考信号。将开关式霍尔位置传感器用于永磁同步电机的转子位置检测是一种能够保证电机运行性能，同时降低系统成本的转子位置检测技术。

针对霍尔信号不对称引起转子位置速度估算误差的问题，本文提出了基于霍尔矢量相位跟踪（Hall vector phase tracking, HVPT）的转子位置与速度估算方法，有效地降低了霍尔信号不对称所引起的估算误差。

团队介绍

北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心依托于北京航空航天大学组建，2013年5月被北京市科委正式认定。本中心围绕高端国防、节能减排等国家重大需求，设有磁悬浮微机电设计、芯片级控制系统研发、磁悬浮叶轮流体机械及测试等方向，主要研制先进航天器磁悬浮惯性执行机构、超高真空磁悬浮分子泵、超高速微型磁悬浮压缩机等，推动高速磁悬浮电机技术在航空航天、高端科学仪器及设备、节能环保装备等领域取得标志性成果。

韩邦成

1974出生，北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院，教授、博士生导师。从事量子精密测量与传感技术、高性能磁屏蔽与主动磁补偿技术、磁悬浮惯性执行机构等技术。主持国家重大仪器专项课题、民用航天预研专项等20余项；发表SCI论文50余篇，授权发明专利40余项；获国家技术发明二等奖2项、省部级一等奖3项。

研究背景

图1 三相霍尔输出与电机转子位置关系图

图2 三相霍尔传感器估算位置及真实位置对比图

对于三相开关式霍尔位置传感器，一般将其按照120°间隔对称安装在永磁电机定子上。当电机旋转一周时，霍尔传感器的输出信号为三路相位互差2π/3电角度的矩形波，且每路霍尔信号的逻辑0和逻辑1各占π电角度。如图1所示，一个周期被划分为6个π/3的霍尔区间I、II、III、IV、V、VI。因此，采用霍尔传感器可以直接检测到6个离散的转子位置。

实际中，由于安装工艺限制，电机磁极安装的非对称性或者霍尔传感器存在安装误差均会导致霍尔传感器的输出信号与理想的位置信号存在偏差。如图2所示，采用传统T法估算的转子速度出现偏差，同时利用速度进行位置插值则会产生位置估算不连续，出现突变现象，造成电机转矩波动，不利于电机的平稳运行。

论文方法及创新点

图3 霍尔矢量H_ab及其分量h_a和h_b的波形

三相霍尔信号具有π/3的分辨率，为了更加清楚地了解霍尔信号与转子位置的关系，将其进行式（1）坐标变换：

式（1）

式（2）

式（3）

式（4）

同频跟踪滤波器传递函数如下：

式（5）

图4 同频跟踪滤波器结构框图

图5 正交锁相环结构框图

图6 永磁同步电机矢量控制实验平台

为进一步验证霍尔矢量相位跟踪方法的有效性，利用图6所示的磁悬浮DN250CF型中抽速分子泵实验平台，其中磁悬浮DN250CF型分子泵所用的电机为1对磁极1kW永磁同步电机，在电机内部安装有三相开关式霍尔位置传感器。

采用基于霍尔矢量相位跟踪方法估算得到的电机转子位置结果如图7所示，采用基于霍尔矢量相位跟踪方法估算的转子位置平滑连续而且误差小，不会出现相电流畸变现象，电流对称性好，正弦度高。并且，当电机起动加速时，也可以得到连续平滑且较为准确的转子位置，电机的相电流波形理想，具有良好的动态性能。

图7 采用本文方法的位置估算及相电流波形图

结论

本文以开关式霍尔位置传感器的工作原理与坐标变换为基础，提出了基于霍尔矢量相位跟踪方法的永磁同步电机转子位置与速度估算方法。

结果表明，采用基于霍尔矢量相位跟踪的转子位置速度估算方法，估算的高分辨率转子位置连续平滑，具有良好的动态效应。采用自适应同频跟踪滤波器可以滤除由于霍尔信号不对称引起的霍尔矢量高频奇次分量增加的现象，有效降低了霍尔传感器安装不对称及电机磁极不对称引起的转子位置速度估算误差，弥补了电机加工工艺的缺陷。

该方法适用于安装有三相开关式霍尔位置传感器的永磁同步电机。采用该方法估算转子位置速度不需要电机的相电阻、相电感等参数，可靠性强。

引用本文

赵远洋, 韩邦成, 陈宝栋. 基于霍尔矢量相位跟踪的永磁同步电机转子位置与速度估算方法[J]. 电工技术学报, 2019, 34(15): 3147-3157. Zhao Yuanyang, Han Bangcheng, Chen Baodong. Speed and Rotor Position Estimation for PMSM Based on Hall Vector Phase-Tracking. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(15): 3147-3157.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180645

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

电气技术

学会官方B站

新浪微博

今日头条号

联系我们

《电工技术学报》：010-63256949/6981

邮箱：[e-mail]

---

《电气技术》：010-63256943

邮箱：[e-mail]

---

编务：010-63256994；订阅：010-63256817

广告合作：010-63256867/6838