基于霍爾傳感器的PMSM低速區間相電流相位矯正

陳澤平, 史艷霞, 魏海峰, 苗奎星

基于霍爾傳感器的PMSM低速區間相電流相位矯正

陳澤平1, 史艷霞2, 魏海峰3, 苗奎星3

(1. 天津科技大學 電子信息與自動化學院, 天津, 300222; 2. 天津中德應用技術大學 智能制造學院, 天津, 300350; 3.江蘇科技大學 電子信息學院, 江蘇 鎮江, 212000)

針對水下航行器推進系統中永磁同步電機(PMSM)三相電流由于系統內部軟件延時導致重構后相電流發生滯后的問題, 分別對PMSM低速運行過程中三相電流合成矢量的角度與轉子位置估算角度進行原理分析, 提出了一種將2種角度進行數據融合得到最優估計角度的方法, 從而矯正相電流相位。首先, 在電機低速運行過程中對三相電流進行卡爾曼濾波; 然后利用三相電流幅值計算合成矢量的角度; 再采用平均速度補償的方法減小霍爾傳感器本身存在的位置偏差; 接著采用轉子位置估算的方法得到轉子位置; 最后利用合成矢量角度和轉子角度進行數據融合得到的最優角度對三相電流相位進行矯正, 重構三相定子電流值。試驗結果顯示, 基于霍爾傳感器的PMSM相電流相位矯正方法能增強傳統PMSM控制系統的抗干擾性, 使得重構后的三相電流值更加接近真實值。

水下航行器; 永磁同步電機; 三相電流; 轉子; 相位矯正

0 引言

推進電機是水下航行器的重要組成部分, 由于水下航行器空間有限、運行情況復雜, 選用空間占用小、響應速度快、節能高效的推進電機對水下航行器具有重要意義[1]。在永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor, PMSM)矢量控制系統中, 電流采集模塊采集到的定子相電流是否準確, 直接影響系統性能的可靠性[2-6]。但由于PMSM具有調速范圍大和運轉速度快的特征, 且其本身不能取得理想的正弦氣隙磁場, 這些都促使矢量控制系統中采樣的相電流包含不規律的高次諧波以及環境干擾, 再加上矢量控制系統中軟件延時的存在, 使得相電流重構后與真實值誤差較大。因此, 如何提高相電流重構后的精確性對于PMSM矢量控制系統至關重要[4]。

為了對控制器中電流采集模塊獲得的相電流進行處理, 文獻[7]～[9]使用卡爾曼濾波將轉子角加速度以及電流采集值進行數據融合, 從而得到精確的三相電流, 這種方法能夠對電機這種非平穩系統的隨機過程進行估計, 針對電流采集模塊的采集值在環境的隨機干擾下進行最優估計, 最終得到平滑的三相電流曲線。文獻[10]～[12]根據矢量合成的方法將三相電流合成一個隨時間和空間變化的旋轉磁場, 由于旋轉磁場的空間磁鏈近乎圓形, 所以電機轉矩輸出更加穩定。在現實情況應用下, 存在PMSM本身工藝限制、安裝霍爾傳感器的手工偏差等不可避免的誤差都會給霍爾傳感器輸出錯誤信號, 為了降低因手工安裝霍爾傳感器造成的誤差, 文獻[13]～[15]提出了一種平均速度補償的方法對霍爾傳感器存在的位置偏差進行補償, 適用于電機轉矩波動不大的場合。其還提出了一種基于霍爾傳感器矢量相位跟蹤的PMSM轉子位置和速度估算方式, 通過這種方法可以得到電機轉子的位置信息。由于三相電流合成的磁場矢量控制著轉子運轉, 而轉子位置角度又是三相電流合成的磁場矢量的體現, 因此可以通過融合2種角度得到最優估計角度對重構后的相電流進行相位矯正。文獻[16]提出了數據融合的方式, 根據實際需要采取恰當的樣本量進行數據融合, 并隨著系統運行不斷更新樣本量進行迭代計算, 這種算法軟件成本較低, 且易于實現。

文中提出了一種基于霍爾傳感器的PMSM低速區間相電流相位矯正的方法。首先, 為了獲得足夠精確的三相電流值, 對采集的三相電流進行卡爾曼濾波處理; 再通過分析三相電流以及三相電流合成矢量之間的關系, 得到合成矢量的角度; 然后, 通過平均速度補償的方式對PMSM內部霍爾傳感器本身存在的位置偏差進行補償; 接著結合轉子位置估算的原理得到轉子位置的角度; 最后, 通過數據融合的方式, 將合成矢量的角度以及轉子位置的角度進行數據融合并得到最優的估計角度, 利用最優估計角度以及合成矢量的膜值重構三相電流, 從而達到對相電流矯正的作用。在此算法的基礎上, 以一臺裝有霍爾傳感器的PMSM作為實驗對象, 在電機運轉的低速區間, 通過軟件延時的方法模擬三相定子電流同時發生滯后的問題, 使用數模轉換模塊將合成矢量角度、轉子位置角度以及矯正后的合成矢量角度輸出并進行比較, 驗證該方法的可行性和實用性。

1 三相電流采樣和相位偏差分析

1.1 三相電流采樣及矢量合成

PMSM矢量控制技術的一個關鍵環節是相電流的采集和重構, 相電流的采集方式包括電流互感器測量法、分流電阻法等。鑒于成本和易用性, 目前應用較多的相電流采集方式是電阻采樣, 包括單電阻法、雙電阻法以及三電阻法。文中相電流采集方法采用三電阻法, 如圖1所示。

圖1 三電阻采樣框圖

三相正弦電流合成將產生一個旋轉磁場, 該磁場是隨時間和空間變化的多變量系統

1.2 三相電流相位偏差

圖2 三相電流發生滯后

2 三相電流濾波和矢量合成角度

2.1 三相電流濾波處理

PMSM在運轉過程中, 通過電流采集模塊直接采集到的三相電流原始值中包含紋波和噪聲, 不能用來進行三相電流矢量合成分析, 為了提高控制器采集的電流值精度, 需要對電流原始值進行濾波處理, 卡爾曼濾波是最好的方法。

根據式(2)和式(3)可得卡爾曼濾波狀態方程

設單相電流卡爾曼濾波的測量方程為

可得卡爾曼濾波模型為

到此基于相電流卡爾曼濾波模型已經建立, 根據模型的基本方程在控制器中設計濾波算法, 可以得到平滑的相電流曲線。

2.2 三相電流矢量合成角度

圖3 三相電流波形

表1 角度對應關系

然后根據三角形三邊、、求得與之間的夾角為

圖4 合成矢量圖形(情況1)

與之間的夾角為

然后根據三角形三邊、求得

與之間的夾角為

3 轉子位置分析與相電流相位矯正

3.1 霍爾傳感器安裝位置偏差補償

由于PMSM本身工藝限制以及安裝霍爾傳感器存在手工偏差等因素, 造成霍爾傳感器輸出的轉子位置信息與電機轉子的真實位置信息之間產生誤差, 如圖6所示, 其中H、H、H和分別表示霍爾A、B、C相電平以及電機反電勢,E、E和E分別表示電機三相反電勢, I～VI分別表示霍爾傳感器的6個狀態。當霍爾傳感器安裝位置滯后時, 會使其檢測到磁場過零延遲一段時間, 使得相鄰2個霍爾扇區中前一個扇區對應的電角度較寬, 后一個扇區對應的電角度較窄。因為每個霍爾扇區的電角度不再是60°, 而系統卻將其認為是實際的轉子位置, 這會導致電機運轉中產生電流畸變和轉矩脈動, 影響電機的使用壽命和精度。因為PMSM是在低速區間運轉且電機轉速不會發生較大的脈動, 所以采用平均速度補償可以有效消除霍爾傳感器在PMSM的安裝偏差。

圖6 PMSM霍爾傳感器位置安裝誤差圖

由圖7可得電機角速度的計算公式

3.2 轉子位置估算原理

由于霍爾傳感器只能得到轉子的6個區間, 不符合PMSM矢量控制高分辨率位置信號的要求, 因此需要進行霍爾傳感器區間位置的估算。

常見的開關型霍爾傳感器呈120°電角度擺放, 電機的三相對應3個霍爾傳感器, 每個霍爾傳感器一般超前該相90°放置。當磁場的南北磁極通過時, 霍爾傳感器會呈現高低電平變化。因此每個電周期內霍爾傳感器都有2個輸出狀態。

圖7 平均速度補償算法

進行程序設計時, 插值的細分時間往往是一個矢量控制周期, 在每個矢量控制執行周期進行一次位置估算, 并且在每個60°扇區位置進行一次校正。這種方法計算的是霍爾傳感器旋轉60°扇區的平均速度, 并不是瞬時速度。對于電機運轉低速區間, 該算法完全可以擬合出一條很平滑的電角度曲線。

3.3 相電流相位矯正

4 實驗分析

在交流調速平臺上以一臺裝有霍爾傳感器的PMSM作為實驗對象, 對PMSM低速區間相電流相位矯正算法進行了實驗驗證。PMSM系統參數如表2所示, 搭建的系統實驗平臺如圖9所示。

表2 電機參數

圖9 系統實驗平臺

首先通過卡爾曼濾波實驗對控制器采集的三相電流原始值進行濾波, 如圖10所示, 圖中為電流值。實驗結果表明經過卡爾曼濾波的三相電流波動不大, 曲線更加平滑, 并且具有很強的抗外界干擾性。

圖10 三相電流卡爾曼濾波處理圖

圖11 轉子角度與合成矢量角度對比圖

圖12 相電流合成矢量矯正圖

5 結束語

文中研究了PMSM三相定子電流由于MCU內部軟件延時導致重構后三相定子電流發生滯后的問題, 通過將三相電流合成矢量角度和轉子霍爾位置估算角度進行數據融合, 得到最優估計角度, 解決了三相定子電流重構后的滯后問題。最后, 在一臺裝有霍爾傳感器的PMSM上進行實驗, 在電機運轉低速區間, 模擬三相定子電流同時發生滯后現象, 通過2種角度的數據融合方式矯正相電流相位。實驗結果表明, 文中提出基于霍爾傳感器的PMSM低速區間相電流相位矯正方法能有效解決電機運行時由于電流重構發生的滯后問題。文中對PMSM低速運轉區間相電流相位矯正進行了初步研究, 今后還需進一步研究PMSM中高速運轉區間相電流出現的滯后問題。

[1] 唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 2015.

[2] 袁雷. 現代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2016.

[3] 陸佳琪, 吳金富, 陸彥如, 等. 永磁同步電機新型單電阻電流重構技術研究[J]. 電機與控制應用, 2019, 46(2): 46- 51.

Lu Jia-qi, Wu Jin-fu, Lu Yan-ru, et al. A Novel Single-Resistance Current Reconfiguration Technique for Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Electric Machines and Control, 2019, 46 (2): 46-51.

[4] 鄧娜. 基于改進相電流重構的電流采樣校正方法[J]. 電氣傳動, 2020, 50(8): 15-20.

Deng Na. Current Sampling Correction Method Based on Improved Phase Current Reconstruction[J]. Electric Drive, 2020, 50(8): 15-20.

[5] 李白雅, 李述幸, 楊城健, 等. 永磁同步電機相電流重構方法研究[J]. 防爆電機, 2019, 54(5): 4-6.

Li Bai-ya, Li Shu-xing, Yang Cheng-jian, et al. Research on Rconstruction Method of PMSM Phase Current[J]. Explosion-Proof Electric Machine, 2019, 54(5): 4-6.

[6] 劉彥呈, 劉偉民, 郭昊昊. 基于田口法的永磁同步推進電機優化設計[J]. 微特電機, 2018, 46(3): 18-20.

Liu Yan-cheng, Liu Wei-min, Guo Hao-hao. Optimization Design of Permanent Magnet Synchronous Propulsion Motor Based on Taguchi Method[J]. Micro Motor, 2018, 46(3): 18-20.

[7] 李宏, 張鵬舉. 雙三相電機感應電機矢量控制研究[J]. 魚雷技術, 2016, 24(5): 351-356.

Li Hong, Zhang Peng-ju. Vector Control of Dual Three- Phase Induction Motor[J]. Torpedo Technology, 2016, 24 (5): 351-356.

[8] Ostovic V．Memory Motors[J]. IEEE Industry Transactions on Industry Applications, 2003, 9(1): 52-61．

[9] 趙武玲, 魏振, 姚廣. 永磁同步電動機全階狀態觀測器的設計及分析[J]. 微特電機, 2019, 47(1): 20-24.

Zhao Wu-ling, Wei Zhen, Yao Guang. Design and Analysis of Full-Order State Observer on Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Micro Motor, 2019, 47(1): 20-24.

[10] Yoo A, Sul S K, Kim H, et al. Flux-weakening Strategy of an Induction Machine Driven by an Induction Machine Driven by an Electrolytic Capacitorless Inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(3): 1328- 1336.

[11] Jahns T M, Kliman G B, Neumann T W. Interior Permanentmagnet Synchronous Motors for Adjustable-speed Drives[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1986, 22(4): 738-747．

[12] 朱孟美, 張云, 解兆延, 等. 基于霍爾傳感器的電動汽車用永磁同步電機的控制[J]. 電機與控制應用, 2016, 43(11): 23-27.

Zhu Meng-mei, Zhang Yun, Xie Zhao-yan, et al. Control of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicle Based on Hall Position Sensor[J]. Electric Machines & Control Applications, 2016, 43(11): 23-27.

[13] 聶銅, 張幽彤. 永磁同步電機霍爾傳感器自標定算法研究[J]. 電機與控制應用, 2018, 45(4): 73-79.

Nie Tong, Zhang You-tong. Research on Self-calibration Algorithm of Permanent Magnet Synchronous Motor Hall Position Sensor[J]. Lectric Machines & Control App- lications, 2018, 45(4): 73-79.

[14] 董亮輝, 劉景林. 永磁同步電機位置傳感器的故障檢測和容錯控制[J]. 西北工業大學學報, 2016, 34(2): 306-312.

Dong Liang-hui, Liu Jing-lin. Fault Detection and Fault- tolerant Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Position Sensor[J]. Journal of Northwest Polytechnical University, 2016, 34(2): 306-312.

[15] 王高林, 陳偉, 楊榮峰. 無速度傳感器感應電機改進轉子磁鏈觀測器[J]. 電機與控制學報, 2009, 13(5): 638- 642.

Wang Gao-lin, Chen Wei, Yang Rong-feng. Improved Rotor Flux Estimator for Sensor Less Induction Motor[J]. Lectric Machines and Control, 2009, 13(5): 638-642.

[16] 劉計龍, 肖飛, 沈洋, 等. 永磁同步電機無位置傳感器控制技術研究綜述[J]. 電工技術學報, 2017, 32(16): 76-88.

Liu Ji-long, Xiao Fei, Shen Yang, et al. Review of Non- position Sensor Control Technology for Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(16): 76-88.

Phase Current Phase Correction of PMSM in Low Speed Section Based on Hall Sensor

CHEN Ze-ping,SHI Yan-xia, WEI Hai-feng,MIAO Kui-xing

(1. School of Electronic Information and Automation, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China; 2. Intelligent Manufacturing College, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China; 3. School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China)

The three-phase current of a permanent magnet synchronous motor(PMSM) in an undersea vehicle propulsion system lags after reconfiguration due to the software delay within the system. To address this issue, the angles of the three-phase current synthesis vector and the rotor position estimation angle during the low-speed operation of the PMSM are analyzed in principle, and a method is proposed to fuse the data of the two angles to obtain the optimal estimated angle to correct the phase current phase. First, the Kalman filtering of the three-phase current is performed during the low-speed operation of the motor; subsequently, the angle of the synthesized vector is calculated using the three-phase current amplitude, and the position bias of the Hall sensor itself is reduced by using the average speed compensation method; next, the rotor position is estimated using the rotor position estimation method; finally, the optimal angle is obtained by fusing the synthetic vector angle and the rotor angle and correcting the three-phase current phase to reconstruct the three-phase stator current value. The experimental results show that the phase correction method based on the Hall sensor can enhance the interference resistance of the conventional PMSM control system, reducing the difference between the reconstructed three-phase current values and the real values.

undersea vehicle; permanent magnet synchronous motor (PMSM); three-phase current; rotor; phase correction

TJ630.32; TM351

A

2096-3920(2021)06-0739-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.014

陳澤平, 史艷霞, 魏海峰, 等. 基于霍爾傳感器的PMSM低速區間相電流相位矯正[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(6): 739-746.a

2021-01-24;

2021-03-27.

國家自然科學基金(51977101); 天津市技術創新引導專項優秀特派員項目(19JCTPJC41300).

陳澤平(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為電機控制.

(責任編輯: 許 妍)