陳澤平, 史艷霞, 魏海峰, 苗奎星

基于霍爾傳感器的PMSM低速區(qū)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(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 天津, 300222; 2. 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院, 天津, 300350; 3.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212000)

針對(duì)水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)(PMSM)三相電流由于系統(tǒng)內(nèi)部軟件延時(shí)導(dǎo)致重構(gòu)后相電流發(fā)生滯后的問(wèn)題, 分別對(duì)PMSM低速運(yùn)行過(guò)程中三相電流合成矢量的角度與轉(zhuǎn)子位置估算角度進(jìn)行原理分析, 提出了一種將2種角度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到最優(yōu)估計(jì)角度的方法, 從而矯正相電流相位。首先, 在電機(jī)低速運(yùn)行過(guò)程中對(duì)三相電流進(jìn)行卡爾曼濾波; 然后利用三相電流幅值計(jì)算合成矢量的角度; 再采用平均速度補(bǔ)償?shù)姆椒p小霍爾傳感器本身存在的位置偏差; 接著采用轉(zhuǎn)子位置估算的方法得到轉(zhuǎn)子位置; 最后利用合成矢量角度和轉(zhuǎn)子角度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到的最優(yōu)角度對(duì)三相電流相位進(jìn)行矯正, 重構(gòu)三相定子電流值。試驗(yàn)結(jié)果顯示, 基于霍爾傳感器的PMSM相電流相位矯正方法能增強(qiáng)傳統(tǒng)PMSM控制系統(tǒng)的抗干擾性, 使得重構(gòu)后的三相電流值更加接近真實(shí)值。

水下航行器; 永磁同步電機(jī); 三相電流; 轉(zhuǎn)子; 相位矯正

0 引言

推進(jìn)電機(jī)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(yùn)行情況復(fù)雜, 選用空間占用小、響應(yīng)速度快、節(jié)能高效的推進(jìn)電機(jī)對(duì)水下航行器具有重要意義[1]。在永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor, PMSM)矢量控制系統(tǒng)中, 電流采集模塊采集到的定子相電流是否準(zhǔn)確, 直接影響系統(tǒng)性能的可靠性[2-6]。但由于PMSM具有調(diào)速范圍大和運(yùn)轉(zhuǎn)速度快的特征, 且其本身不能取得理想的正弦氣隙磁場(chǎng), 這些都促使矢量控制系統(tǒng)中采樣的相電流包含不規(guī)律的高次諧波以及環(huán)境干擾, 再加上矢量控制系統(tǒng)中軟件延時(shí)的存在, 使得相電流重構(gòu)后與真實(shí)值誤差較大。因此, 如何提高相電流重構(gòu)后的精確性對(duì)于PMSM矢量控制系統(tǒng)至關(guān)重要[4]。

為了對(duì)控制器中電流采集模塊獲得的相電流進(jìn)行處理, 文獻(xiàn)[7]～[9]使用卡爾曼濾波將轉(zhuǎn)子角加速度以及電流采集值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 從而得到精確的三相電流, 這種方法能夠?qū)﹄姍C(jī)這種非平穩(wěn)系統(tǒng)的隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行估計(jì), 針對(duì)電流采集模塊的采集值在環(huán)境的隨機(jī)干擾下進(jìn)行最優(yōu)估計(jì), 最終得到平滑的三相電流曲線。文獻(xiàn)[10]～[12]根據(jù)矢量合成的方法將三相電流合成一個(gè)隨時(shí)間和空間變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), 由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的空間磁鏈近乎圓形, 所以電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出更加穩(wěn)定。在現(xiàn)實(shí)情況應(yīng)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(huì)給霍爾傳感器輸出錯(cuò)誤信號(hào), 為了降低因手工安裝霍爾傳感器造成的誤差, 文獻(xiàn)[13]～[15]提出了一種平均速度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)霍爾傳感器存在的位置偏差進(jìn)行補(bǔ)償, 適用于電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不大的場(chǎng)合。其還提出了一種基于霍爾傳感器矢量相位跟蹤的PMSM轉(zhuǎn)子位置和速度估算方式, 通過(guò)這種方法可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。由于三相電流合成的磁場(chǎng)矢量控制著轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn), 而轉(zhuǎn)子位置角度又是三相電流合成的磁場(chǎng)矢量的體現(xiàn), 因此可以通過(guò)融合2種角度得到最優(yōu)估計(jì)角度對(duì)重構(gòu)后的相電流進(jìn)行相位矯正。文獻(xiàn)[16]提出了數(shù)據(jù)融合的方式, 根據(jù)實(shí)際需要采取恰當(dāng)?shù)臉颖玖窟M(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 并隨著系統(tǒng)運(yùn)行不斷更新樣本量進(jìn)行迭代計(jì)算, 這種算法軟件成本較低, 且易于實(shí)現(xiàn)。

文中提出了一種基于霍爾傳感器的PMSM低速區(qū)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(duì)采集的三相電流進(jìn)行卡爾曼濾波處理; 再通過(guò)分析三相電流以及三相電流合成矢量之間的關(guān)系, 得到合成矢量的角度; 然后, 通過(guò)平均速度補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)PMSM內(nèi)部霍爾傳感器本身存在的位置偏差進(jìn)行補(bǔ)償; 接著結(jié)合轉(zhuǎn)子位置估算的原理得到轉(zhuǎn)子位置的角度; 最后, 通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方式, 將合成矢量的角度以及轉(zhuǎn)子位置的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并得到最優(yōu)的估計(jì)角度, 利用最優(yōu)估計(jì)角度以及合成矢量的膜值重構(gòu)三相電流, 從而達(dá)到對(duì)相電流矯正的作用。在此算法的基礎(chǔ)上, 以一臺(tái)裝有霍爾傳感器的PMSM作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象, 在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的低速區(qū)間, 通過(guò)軟件延時(shí)的方法模擬三相定子電流同時(shí)發(fā)生滯后的問(wèn)題, 使用數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將合成矢量角度、轉(zhuǎn)子位置角度以及矯正后的合成矢量角度輸出并進(jìn)行比較, 驗(yàn)證該方法的可行性和實(shí)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(shù)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是相電流的采集和重構(gòu), 相電流的采集方式包括電流互感器測(cè)量法、分流電阻法等。鑒于成本和易用性, 目前應(yīng)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(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng), 該磁場(chǎng)是隨時(shí)間和空間變化的多變量系統(tǒng)

1.2 三相電流相位偏差

圖2 三相電流發(fā)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中, 通過(guò)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(lái)進(jìn)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(duì)電流原始值進(jìn)行濾波處理, 卡爾曼濾波是最好的方法。

根據(jù)式(2)和式(3)可得卡爾曼濾波狀態(tài)方程

設(shè)單相電流卡爾曼濾波的測(cè)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(jīng)建立, 根據(jù)模型的基本方程在控制器中設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系

然后根據(jù)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(jù)三角形三邊、求得

與之間的夾角為

3 轉(zhuǎn)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(bǔ)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(zhuǎn)子位置信息與電機(jī)轉(zhuǎn)子的真實(shí)位置信息之間產(chǎn)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(jī)反電勢(shì),E、E和E分別表示電機(jī)三相反電勢(shì), I～VI分別表示霍爾傳感器的6個(gè)狀態(tài)。當(dāng)霍爾傳感器安裝位置滯后時(shí), 會(huì)使其檢測(cè)到磁場(chǎng)過(guò)零延遲一段時(shí)間, 使得相鄰2個(gè)霍爾扇區(qū)中前一個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的電角度較寬, 后一個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的電角度較窄。因?yàn)槊總€(gè)霍爾扇區(qū)的電角度不再是60°, 而系統(tǒng)卻將其認(rèn)為是實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置, 這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生電流畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 影響電機(jī)的使用壽命和精度。因?yàn)镻MSM是在低速區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)且電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)發(fā)生較大的脈動(dòng), 所以采用平均速度補(bǔ)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(jī)角速度的計(jì)算公式

3.2 轉(zhuǎn)子位置估算原理

由于霍爾傳感器只能得到轉(zhuǎn)子的6個(gè)區(qū)間, 不符合PMSM矢量控制高分辨率位置信號(hào)的要求, 因此需要進(jìn)行霍爾傳感器區(qū)間位置的估算。

常見的開關(guān)型霍爾傳感器呈120°電角度擺放, 電機(jī)的三相對(duì)應(yīng)3個(gè)霍爾傳感器, 每個(gè)霍爾傳感器一般超前該相90°放置。當(dāng)磁場(chǎng)的南北磁極通過(guò)時(shí), 霍爾傳感器會(huì)呈現(xiàn)高低電平變化。因此每個(gè)電周期內(nèi)霍爾傳感器都有2個(gè)輸出狀態(tài)。

圖7 平均速度補(bǔ)償算法

進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí), 插值的細(xì)分時(shí)間往往是一個(gè)矢量控制周期, 在每個(gè)矢量控制執(zhí)行周期進(jìn)行一次位置估算, 并且在每個(gè)60°扇區(qū)位置進(jìn)行一次校正。這種方法計(jì)算的是霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)60°扇區(qū)的平均速度, 并不是瞬時(shí)速度。對(duì)于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)低速區(qū)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(shí)驗(yàn)分析

在交流調(diào)速平臺(tái)上以一臺(tái)裝有霍爾傳感器的PMSM作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象, 對(duì)PMSM低速區(qū)間相電流相位矯正算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。PMSM系統(tǒng)參數(shù)如表2所示, 搭建的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

表2 電機(jī)參數(shù)

圖9 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先通過(guò)卡爾曼濾波實(shí)驗(yàn)對(duì)控制器采集的三相電流原始值進(jìn)行濾波, 如圖10所示, 圖中為電流值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波的三相電流波動(dòng)不大, 曲線更加平滑, 并且具有很強(qiáng)的抗外界干擾性。

圖10 三相電流卡爾曼濾波處理圖

圖11 轉(zhuǎn)子角度與合成矢量角度對(duì)比圖

圖12 相電流合成矢量矯正圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文中研究了PMSM三相定子電流由于MCU內(nèi)部軟件延時(shí)導(dǎo)致重構(gòu)后三相定子電流發(fā)生滯后的問(wèn)題, 通過(guò)將三相電流合成矢量角度和轉(zhuǎn)子霍爾位置估算角度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 得到最優(yōu)估計(jì)角度, 解決了三相定子電流重構(gòu)后的滯后問(wèn)題。最后, 在一臺(tái)裝有霍爾傳感器的PMSM上進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)低速區(qū)間, 模擬三相定子電流同時(shí)發(fā)生滯后現(xiàn)象, 通過(guò)2種角度的數(shù)據(jù)融合方式矯正相電流相位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 文中提出基于霍爾傳感器的PMSM低速區(qū)間相電流相位矯正方法能有效解決電機(jī)運(yùn)行時(shí)由于電流重構(gòu)發(fā)生的滯后問(wèn)題。文中對(duì)PMSM低速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間相電流相位矯正進(jìn)行了初步研究, 今后還需進(jìn)一步研究PMSM中高速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間相電流出現(xiàn)的滯后問(wèn)題。

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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(qū)間相電流相位矯正[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 739-746.a

2021-01-24;

2021-03-27.

國(guó)家自然科學(xué)基金(51977101); 天津市技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專項(xiàng)優(yōu)秀特派員項(xiàng)目(19JCTPJC41300).

陳澤平(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制.

(責(zé)任編輯: 許 妍)