学术简报｜永磁同步电机转子位置与速度估算的新方法，精度好，性价比高
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北京航空航天大学惯性技术重点实验室、北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心的研究人员赵远洋、韩邦成、陈宝栋，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“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”），三相开关式霍尔位置传感器常用于检测永磁同步电机低分辨率的转子位置信息。
针对霍尔信号不对称引起转子位置及速度估算误差增大的问题，该文提出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。首先将三相霍尔信号经过3/2坐标变换转换为包含转子位置信息的霍尔旋转矢量；然后将同频跟踪滤波器分别作用于旋转矢量的两个正交分量，滤除其中的高频干扰，得到与转子位置相关的基频信号，该信号分别为转子位置的正弦与余弦函数；最后利用正交锁相环提取出精确的转子位置与速度信息。
该方法可以有效降低由于安装工艺导致霍尔信号不对称所引起的转子位置及速度估算误差，实施过程简单，估计精度好，对电机参数不敏感，性价比高。仿真分析与实验验证了所提方法的正确性和有效性。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因具有体积小、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。常用的转子位置检测方法主要包括有位置传感器、无位置传感器及准无位置传感器控制方法。传统的有位置传感器检测方法常采用光电编码器、旋转变压器等传感器。这些传感器可以获得较高的位置分辨率，但同时导致系统成本和体积增加、硬件结构更加复杂，甚至降低了系统的可靠性。无位置传感器位置检测方法主要分为基于基波数学模型的估计方法和基于高频信号注入的估计方法两类。
目前，这两类方法都还不能实现全转速范围内转子位置与速度的估算。同时位置与速度估算性能受电机参数、电机温度、逆变器非线性等因素的影响，还无法实现低成本、高性能的目标。
开关式霍尔位置传感器具有体积小、成本低、抗干扰性强的优点，通常应用于无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDCM）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PMSM的转子位置检测又称为准无位置传感器控制方法，是一种既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。三相开关式霍尔位置传感器在一个电周期内仅提供六个离散的霍尔信号，对应离散的转子位置信息。目前，采用离散的霍尔位置信号实现转子位置的高分辨率估算主要包括插值法和观测器法两类。
有学者提出了基于平均速度法和平均加速度法的两种转子位置插值估算法。平均速度法采用传统T法测速，其速度及位置估算精度与霍尔传感器输出信号密切相关。在实际中，由于安装工艺限制，霍尔传感器的安装误差或电机磁极的非对称性均会造成霍尔传感器输出信号存在偏差。
为减小霍尔传感器安装误差引起的转子位置估算误差，有学者提出了一种霍尔转子位置预估及其校正方法，利用六个离散的霍尔信号将转子位置区间分为六个扇区，将霍尔扇区初始位置校正和线性校正法结合，减小由于霍尔传感器安装误差造成的转子位置估算误差，但此方法不能解决电机磁极的非对称引起的霍尔信号偏差造成的影响，而且霍尔扇区初始校正时需要首先确定三相霍尔信号中产生偏差的具体是哪一相，在此基础上进行校正，从而增加了算法复杂度并限制了其应用。
有学者将最小二乘法应用到霍尔信号的处理上，采用多区间测速方法，在降低速度估算误差的同时补偿了位置估算误差。但是为提高低速阶段电机速度的动态响应，在算法设计时要加入方波驱动方式，增加了软件设计的复杂性。
有学者采用状态观测器实现对电机转子位置和速度的估计，虽然具有良好的动态性能，但位置及速度估算误差会由于霍尔信号输出存在的偏差而增大。
有学者采用结合了磁链观测器的矢量跟踪观测器，抑制了由霍尔信号偏差引起的转子位置估算误差。但增加的磁链观测器性能容易受到电流传感器精度及外部温度等因素的影响。采用观测器法虽然可以解决插值法带来的滞后效应，但其受电机参数的影响较大，而且当电机运行转速很高时，对观测器带宽的要求较高。带宽过宽不仅增大高频干扰而且影响系统稳定性，因此观测器估算性能会因电机转速过高而变差。
针对上述霍尔信号不对称引起转子位置及速度估算误差增大的问题，本文提出了基于霍尔矢量相位跟踪（Hall Vector Phase Tracking, HVPT）的PMSM转子位置与速度估算方法。首先将三相霍尔信号经过3/2坐标变换得到霍尔旋转矢量；提出并采用一种自适应同频跟踪滤波器（Synchronous Frequency Tracking-Filter, SFTF），然后将其分别作用于旋转矢量的两个正交分量，得到的基频信号分别为转子位置的正弦与余弦函数；最后用正交锁相环提取出转子的位置与速度信息。
与传统T法速度及位置估算方法相比，该方法可有效降低由于安装工艺导致霍尔信号不对称所引起的转子位置及速度估算误差。仿真分析验证了所提方法的正确性，将所提方法应用于磁悬浮DN250CF中抽速分子泵样机，最终速度估算误差控制在0.5%以内，位置估算平滑连续，相电流对称性好，正弦度高，证明了所提方法的有效性。
图11 基于霍尔矢量相位跟踪的PMSM仿真控制框图
图17 永磁同步电机矢量控制实验平台
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，分析了霍尔信号不对称对霍尔矢量频谱产生的影响，提出了基于霍尔矢量相位跟踪的PMSM转子位置与速度估算方法。主要得到以下结论：
1）采用本文所提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，电机稳速时的转速估算误差控制在0.5%以内。
2）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，有效降低了霍尔位置传感器安装不对称及电机磁极不对称引起的转子位置与速度估算误差，弥补了电机加工工艺的缺陷。
3）该方法适用于安装有三相开关式霍尔位置传感器的永磁电机。采用该方法估算转子位置与速度不需要电机的相电阻、相电感等参数，可靠性强。