霍尔传感器电机测速综合改进技术研究

张斯其

(中国核动力研究设计院，成都 614106)

霍尔传感器电机测速综合改进技术研究

张斯其

(中国核动力研究设计院，成都 614106)

摘 要：研究了一种基于霍尔传感器的位置及转速估算改进技术。针对传统霍尔传感器测速方案在不同转速下的测量结果存在较大误差的问题，综合了2种传统算法的优点，在不同的速度区间内采用不同的采样周期，使用动态更新采样周期的方式，有效地平衡了电机在不同转速下对于实时性和采样精度的要求。实验结果与理论分析均表明，相较于传统算法，位置及转速估算改进技术对采样精度和系统动态性能上均有较大提高。

关键词：开关霍尔传感器；永磁同步电机；转子位置估算；矢量控制

0 引 言

电机转子位置与转速信息对于采用矢量控制的电机系统必不可少。但由于设计成本以及安装尺寸的限制，同时考虑到转速信息采样算法的复杂性以及采样的准确性，基于开关霍尔传感器的位置检测方案有着明显的优势。开关霍尔传感器成本低廉，体积小巧，安装和维修过程简单方便，在工业、家用电器、船舶、航天等领域有着广泛的应用，尤其适合一些成本低，同时对电机位置和转速要求分辨率不高的采样系统。

1 霍尔传感器位置及转速估算原理

霍尔传感器位置及转速估算主要是对于开关霍尔状态切换信息的处理以及计算。为了保证电机位置估算的精确度，通常采用对称布置的三相霍尔传感器来对电机位置进行检测。三相霍尔传感器可以提供6个电机转子的位置信号，且这6个信号是准确的。相比于单相和两相霍尔传感器，在精度上有了较大的提高，且这种空间上的均匀分布，也使得霍尔传感器的输出信号与电机反电动势信号存在一定的对应关系，如图1所示。

从图1中可以看出，由于霍尔位置在空间上的对称分布，使得3个霍尔传感器的输出信号相位互差120°，且占空比为50%。检测到当前霍尔信号的变化后，将当前信号与之前所在扇区的霍尔信号进行比较，从而确定电机转子当前所在位置，进一步通过算法可以估算出转子的位置和转速信号。

但是由于霍尔传感器只能提供6个准确的位置信号，无法在电机连续运行时提供转子在每个扇区内准确的位置信号，这就需要利用这6个准确的位置信号来对电机的真实位置进行估算。假设θ0为所在某一扇区的转子初始角度，在理想情况下转子位置的表达式：

(1)

假设检测到2次霍尔输出状态改变的间隔时间为Δt，则可根据式(2)计算得到电机转子的当前转速：

(2)

同样，电机转子的位置也可以通过式(3)进行计算，在每一个检测周期内均认为电机转子为匀速运行：

θ(t)=θ0+ωn(t)Ts

(3)

式中：θ为当前电机转子的电角度；Ts为采样间隔；ωn为转子转速。

同时当霍尔传感器边沿到来时，对所计算出的转子位置进行自校验，将转子位置定位于霍尔传感器输出信号的边沿位置。这样可以清除每一个扇区内由于电机转速突变带来的位置计算误差，增加位置信号的计算精度。

霍尔传感器对于电机转子位置和转速计算的误差主要来源于以下2个方面。

一是霍尔传感器自身设计和在电机转子内部安装过程中产生的固有误差。原因是霍尔传感器在转子内部安装时很难做到完全的三相对称，总是存在一定的安装误差，如图2所示。以及霍尔信号半周期输出的不对称，如图3所示。这都会导致电机反电动势波形与霍尔输出信号不同步。

图2 霍尔传感器的反电动势检测误差

图3 霍尔传感器的半周期误差

二是算法中产生的误差。以实际运行参数为例，在低速和高速情况下，由于电机转速的差别非常明显，使得霍尔计数值以及霍尔状态转换之间的时间间隔在不同速度区间下差距明显，如表1所示。在高速情况下算法对于转子转速和位置的估算出现较大的误差。

表1 不同转速下霍尔采样算法情况统计

续表

2 位置检测算法的改进技术研究

本文对基于霍尔周期采样的电机转子测速算法进行改进。采样周期仍然选用电气周期，但是在采样周期的选取中引入堆栈的概念，在电机运行过程中，6个霍尔状态连续更新，在每个新的换相周期到来时，将2个霍尔信号更新周期的时间间隔Δtn+7加入电周期ΔT，将6个状态之前的时间间隔Δtn替换出去，与之前采样得到的5个Δt相加得到新的计算电周期，利用新得到的Δt来对电机转速进行计算。如图4所示。那么电机转子转速可用式(4)计算得到：

(4)

图4 霍尔传感器测速改进方案

这种选取电气周期进行计算的方法虽然排除了霍尔传感器安装过程中所带来的误差，而且采用采样时间动态更新的方式，大大提高了原有算法的动态性能，但是在一些对实时性要求更高的场合，这种算法仍然存在一定的滞后，因此要对算法进行进一步的改进。

在电机转速较低时，电机对于负载的变化较为敏感，系统运行过程中对于传感器的采样速度要求较高，此时可以选用2个霍尔信号变化的时间间隔，即一个霍尔换相周期作为采样周期。当电机转速升高，2个霍尔信号变化时间间隔变短，计数值变小，影响到采样精度时，可以选取间隔的2个霍尔信号变化时间作为采样周期。当转速进一步提高时，采样精度进一步下降，可以采用更多的霍尔信号变化时间组合成为采样周期。如图5所示。

图5 霍尔传感器测速综合改进方案

(5)

ta的时长：

(6)

则使用此时的计算周期ΔTa计算出的电速度：

(7)

由此可得出电机的平均转速：

(8)

检测误差可由下式得到：

(9)

根据式(9)可知，改进型的霍尔综合测速算法的检测误差与a值相关，也就是一个采样周期ΔTa内所含有的霍尔信号变化数目，选择合适的a值可以有效地控制霍尔传感器的采样误差，从而达到更好的控制效果。

大量的实验表明，当2次采样时间的间隔内，计数值保证在80以上时，可以有效地保证采样精度，此时通过算法计算得到的速度精度好。因此在算法设计过程中，将a设定为可变参数，当检测到2次采样间隔中的计数值小于80时，就增大a的数值，增大采样区间；当检测到2次采样间隔中的计数值大于200时，则减小a的数值，缩小采样区间，提高系统的动态性能。算法中使用的转速区间与采样时间的对应关系如表2所示。

表2 不同转速区间内的采样时间

3 基于开关霍尔传感器的永磁同步电动机控制器设计

基于开关霍尔传感器的永磁同步电动机控制系统硬件电路主要由单片机控制器、主功率电路和位置检测电路组成。其拓扑结构如图6所示。

图6 硬件电路总体设计

主功率电路采用三相全桥式结构，利用霍尔传感器以及电机位置和转速估算算法，对永磁同步电动机进行矢量控制。

4 实验结果

实验所使用的对称安装的三相霍尔传感器输出信号如图7所示。从中可以明显看出，由于三相霍尔传感器安装的误差，使得三相霍尔传感器的输出并不对称。如图8所示，霍尔信号与反电动势信号存在明显的角度误差，而且这一误差在每一相霍尔上的表现并不相同，为了消除这些误差，重新设计估算算法非常有必要。

图7 霍尔信号安装误差

图8 霍尔信号与反电动势检测误差

图9和图10分别为转速为600 r/min时改进算法与传统算法的转速和位置估算结果。从图9中可以明显看出，传统的基于霍尔换相周期的估算方法误差很大，在转速和位置波形中均出现了较大的跳变点，波动很大，电机运行时振动很大，转矩输出稳态精度较差。改进的可变周期的估算方法中，相比于传统算法，位置和转速估算结果都很平滑，电机转矩输出稳定。同时在这2种算法下电机运行电流也有着一定的差别，如图11和图12所示，改进后的算法相比于传统算法电流波形的正弦度更好，电流输出波形毛刺较少，没有突变量。

图9 基于传统霍尔换相周期估算的角度与转速

图10 基于改进算法估算的角度与转速

图11 基于传统霍尔换相周期的电机相电流

图12 基于改进算法的电机相电流

实验结果表明，改进的基于霍尔信号的位置速度检测技术能够提高电机位置和转速估算的准确性，提高电机的控制性能。

5 结 语

针对传统霍尔传感器测速在不同转速下的测量结果存在较大误差的问题，本文研究了一种基于霍尔传感器位置及转速估算的改进技术，综合了2种传统算法的优点，在不同的速度区间内采用不同的采样周期，使用动态更新采样周期的方式，有效地平衡了不同转速下对于实时性和采样精度的要求。实验结果与理论分析相吻合，均证明了该技术的有效性。

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ResearchonHallSensorMotorSpeedImprovementTechnology

ZHANGSi-qi

(Nuclear Power Institute of China,Chengdu 614106,China)

Abstract:An improved technique of position and speed estimation based on Hall sensor was analyzed. In view of the fact that the traditional Hall sensor velocity measurement scheme has different errors in the measurement results at different rotational speeds, the advantages of the two traditional algorithms were summarized. Different speed intervals were used in different sampling periods, effectively balancing the requirements for real-time and sampling accuracy for different motor speeds. Experimental results and theoretical analysis show that, compared with the traditional algorithm, the position and speed estimation techniques were greatly improved both in terms of sampling accuracy and system dynamic performance.

Key words：switch hall sensor; permanent magnet synchronous motor(PMSM); rotor position estimation; vector control

中图分类号：TM464

A

1004-7018(2018)05-0031-04

2018-01-19

作者简介：张斯其(1991—)，男，助理工程师，主要研究方向为一体化电机系统驱动与控制。

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