交流伺服電機霍爾位置傳感器關鍵技術綜述

韓膨合

摘要：交流伺服電機廣泛應用于新能源、航空航天、家電等領域。基于此，本文對交流伺服電機霍爾位置傳感器關鍵技術進行了探討。關鍵詞：交流伺服電機;霍爾位置傳感器;關鍵技術

在傳統的交流伺服系統中，通常使用位置傳感器獲取轉子位置信息及轉速。位置傳感器主要用光電編碼器、旋轉變壓器、磁編碼器等，雖然編碼器可獲得高分辨率轉子位置信息，但其高成本和大體積限制了其在低成本驅動及精密驅動領域的應用，許多編碼器接口線路更易發生位置傳感器故障故障。

一、電機轉速及轉子位置預估技術

1、霍爾位置傳感器工作原理。霍爾位置傳感器是一種線性開關傳感器，其輸出信號含有高次諧波，位置信息獲取算法復雜，開關型霍爾傳感器可產生高低穩定邏輯電平。霍爾位置傳感器一般以空間120°電角度均勻布置在電機端集成電路板上，或嵌入定子鐵芯內（外轉子輪轂電機），其中大多數使用與電機轉子相同極數的磁極片，霍爾傳感器根據相應區域內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扇區，永磁無刷直流電機根據六個離散霍爾位置點換相（兩相導通三相六狀態驅動方式）。但磁場定向控制技術對轉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速及轉子位置預估技術。與無位置傳感器控制方式相比，位置傳感器驅動的交流伺服電機自起動簡單可靠，在寬調速范圍內具有良好的轉矩-轉速性能。

2、電機轉速及轉子位置預估技術。當前，在無刷直流電機設計中，大多數定子繞組用短距和分布式繞組，反電動勢接近正弦波。在此基礎上，磁場定向控制可應用于驅動，永磁同步電機磁場定向控制也需連續的轉子位置信息。所以利用離散霍爾信號進行高分辨率轉子位置信息預估是霍爾傳感器驅動交流伺服電機控制的關鍵。

①線性外插法。1996年大阪府立大學的ShigeoMorimoto等提出一種基于硬件電路的線性外插法來預估轉子位置及轉速。俄亥俄州立大學JianrongBu以霍爾扇區為時間基值的轉速積分獲取轉子位置信息，并提出了該方法的軟件實現思路。之后，相關學者對此方法進行了一系列研究改進。

此外，雖然線性外插法轉子位置預估技術編程和實現簡單，但在預估中引入了電機轉子平均轉速（從霍爾扇區時間獲得），由于霍爾安裝位置偏差等因素，轉速波動大，轉速閉環干擾增大，驅動噪聲增大。

②矢量追蹤觀測器。矢量追蹤觀測器分為霍爾信號偏差模塊、控制模塊、帶轉矩前饋輸入的機械運動系統模塊。霍爾信號偏差模塊是二維αβ空間靜止坐標系中的霍爾信號與轉子位置預估信號做差。控制器采用比例-積分-微分環節。根據電機機械運動方程，建立機械運動系統模塊，并在此基礎上，引入前饋轉矩輸入提高系統動態性能。矢量追蹤觀測器能在零速或低速下平穩運行，具有良好的穩態與動態性能。然而，由于觀測器系統參數的設定和霍爾信號的高次諧波干擾，估計性能在一定程度上降低。

為解決這些問題，麥迪遜威斯康星大學的M.C.Harke提出了一種基于霍爾信號傅里葉（FFT）解耦反饋的矢量追蹤觀測器。然后，提出了一系列改進的矢量追蹤觀測器法，取得了良好的預估性能。

2008年，韓國的Seung-kiSul教授為進一步減少轉子位置及轉速估計的滯后，在減少穩態誤差基礎上，提出了霍爾位置傳感器的級聯觀測器法，實現了無靜差控制，進一步提高了驅動系統調速范圍。

二、霍爾位置傳感器安裝偏差補償技術

大多數交流伺服電機的研究默認霍爾位置傳感器以120°電角度均勻布置在電機端部。但這一假設在低成本、低精度和大規模生產的交流伺服電機中無法得到保證。當霍爾位置傳感器不再準確排列時，電機換相順序將因位置偏差而扭曲。

1、基于平均濾波器的霍爾偏差補償。2007年，伊朗德黑蘭大學的PooyaAlaeinovin分析了霍爾安裝位置偏差對電機驅動性能的影響，提出了霍爾安裝位置偏差及傳感器、轉子磁極軸線不重合度偏差檢測技術，并提出了兩種位置偏差補償技術。針對安裝位置偏差問題，提出了基于霍爾位置信號輸入及輸出時序的四種平均濾波技術，輸出補償后虛擬霍爾信號。

2、基于改進矢量追蹤觀測器的霍爾偏差補償。2008年，韓國的Seung-ki

Sul教授在級聯觀測器基礎上，提出一種電流注入及磁鏈觀測器相結合的方法來補償霍爾安裝偏差，通過將電流矢量注入同步坐標系q軸，判斷估計與實際同步坐標系dq軸線的超前和滯后關系，在同步坐標系下，軸線滯后關系會引起線軸電流變化，影響電磁轉矩。在此基礎上，提出了霍爾傳感器角度偏差補償。

雖然帶霍爾偏差補償的級聯觀測器能有效補償霍爾偏差，并具有良好的起動性能，但它僅限于SPMSM，不能推廣到嵌入式交流同步伺服電機。2011年，韓國Sam-YoungKim提出了一種改進的VTO電機轉速及轉子位置預估方案，考慮到霍爾傳感器偏差問題，高精度電機轉速通過轉速（基于霍爾扇區時間及角度）前饋輸入，補償安裝位置偏差。整體控制框圖由單位反電動勢計算模塊、轉速前饋輸入、控制器組成。

在交流伺服電機的無位置傳感器控制中，反電動勢幅值與電機轉速成正比，反電動勢反映了轉子的實際位置信息，然而，隨著轉速的降低，反電動勢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，弗吉尼亞理工大學面對反電動勢觀測器低速采樣精度低、計算復雜等問題，為進一步提高預估性能，提出了一種基于動態轉矩的VTO轉子位置預估方案。利用電流電壓模型建立磁鏈觀測器，將預估轉矩與給定轉矩比較，通過輸入補償器對電機轉子位置進行補償，該方法適用于SPMSM及IPMSM。

3、基于降階觀測器的霍爾偏差補償。VTO法霍爾安裝位置偏差補償能在穩態預估中獲得良好的估計性能，然而，由于電機運動方程依賴于其運動估計方程，所以負載時變下的估計及補償性能會受到影響。為解決這一問題，韓國弘益大學Hyung-JinAhn于2016年提出了基于遺傳因素的最小二乘法來補償霍爾傳感器安裝位置誤差，利用二乘法估計得到的精確轉子位置信息作為降階觀測器（ROLB）的輸入，得到精確的轉子位置信息。該方法簡單可靠，計算量小，預估性能不受負載變化影響。

三、霍爾位置傳感器故障容錯技術

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

單霍爾故障以檢測是否存在零矢量（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系。有18種單霍爾、雙霍爾故障，快速傅里葉分解（FFT）給出了對應于18種類型的函數，并存儲在Lookuptable程序中。故障診斷完后，對霍爾信號進行解耦，根據故障類型向矢量追蹤觀測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償。

基于坐標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，計算量大，導致電機在故障診斷中的驅動性能由于無法有效補償而突然下降。霍爾位置信號狀態值及跳變沿本身包含可用于檢測霍爾故障類型的電機轉子位置信息與轉向信息。2016年，加拿大的LianghuiDong提出了一種基于霍爾信號狀態值與霍爾跳變沿相結合的故障檢測方法。

2、基于泰勒算法的容錯控制。首次將基于平均轉速及加速度的轉子位置預估技術應用于霍爾傳感器驅動的交流伺服電機中，2016年GiacomoScelba提出了基于該預估技術的霍爾傳感器容錯控制技術。

在霍爾故障后，與相鄰跳變沿相對應的角度值存儲在lookuptable中，并結合與該角度相對應的捕獲時間值來計算容錯轉速，基于轉速積分能得到補償后電機轉子位置，該方法簡單可靠，可實現單/雙霍爾故障的有效補償。

參考文獻：

[1]李志強.基于線反電動勢的無刷直流電機無位置傳感器控制[J].電工技術學報，2015（07）.

[2]呂德剛.交流伺服電機霍爾位置傳感器關鍵技術綜述[J].電機與控制學報，2019（06）.