基于線性霍爾元件的準(zhǔn)無位置傳感器伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝宏亮

(湘潭大學(xué)，湘潭411100)

0 引 言

永磁同步電機(jī)因其效率高、能耗低、體積小、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)在工控行業(yè)越來越得到廣泛的應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度全閉環(huán)控制，必需準(zhǔn)確獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、速度信息。

目前應(yīng)用的位置傳感器主要是光電編碼器，但機(jī)械沖擊等因素引起的振動易使碼盤破碎;并且由于成本因素，一般使用增量式編碼器，容易產(chǎn)生讀數(shù)累計(jì)誤差;而絕對式編碼器價格昂貴、且體積大，增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成本［1］，并且和控制器之間的數(shù)據(jù)通信容易產(chǎn)生誤差。針對上述問題，許多學(xué)者提出了應(yīng)用反電動勢［2］、狀態(tài)觀測器［3-4］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［5］、或卡爾曼濾波器［6］的無位置傳感器控制策略，但是計(jì)算模型復(fù)雜以及運(yùn)算量大、耗時長，直接影響到系統(tǒng)控制周期和控制效果，需要高性能處理器，并且估算效果嚴(yán)重依賴于電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性［7］(電機(jī)長時間運(yùn)行下的發(fā)熱將導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生非線性變化)，低速下控制性能差，尤其是系統(tǒng)剛上電情況下很難獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置。因此這些控制方式要真正實(shí)現(xiàn)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用還需一定時間［8］。

為了降低成本，文獻(xiàn)［9 -12］提出了一種采用單個鎖定型(開關(guān))霍爾進(jìn)行角度測量的方法，取得了一定的效果，但是存在低速和電機(jī)速度變化較快時性能不高的缺點(diǎn);同時從開關(guān)霍爾工作特性曲線可以看出，開關(guān)霍爾信號輸出存在磁滯現(xiàn)象，使得測量算法存在誤差，精度不高。線性霍爾具有體積小、價格低等優(yōu)點(diǎn)［13］，文獻(xiàn)［14］提出了一種基于線性霍爾元件的新型絕對式多極磁電軸角編碼器設(shè)計(jì)方案，取得了較好的效果。本文基于文獻(xiàn)［14］提出一種應(yīng)用線性霍爾元件的準(zhǔn)無位置傳感器伺服控制方案，采用兩個環(huán)形磁鋼固定在電機(jī)非負(fù)載端軸上作為粗精碼道實(shí)現(xiàn)角度細(xì)分，利用線性霍爾元件來得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息?；魻栐妮敵鲋苯訂纹瑱C(jī)的模擬輸入口，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。預(yù)先用一高精度的增量式光電編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)，得到霍爾信號和標(biāo)準(zhǔn)角度的關(guān)系，將數(shù)據(jù)存儲到單片機(jī)的只讀存儲器(ROM)中。實(shí)際工作下，通過查表得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，計(jì)算量非常小，基本不占用控制時間。在保證控制效果前提下，極大降低了產(chǎn)品成本，提高了產(chǎn)品可靠性。

1 準(zhǔn)無位置傳感器控制器設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由電源部分、永磁同步電動機(jī)、霍爾傳感模塊、主控電路、功率驅(qū)動以及外圍接口電路構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成

處理器(MCU)采用某型號32 位處理器，霍爾傳感模塊由6 個線性霍爾元件(3 個貼片封裝，3 個插件封裝)和固定支架組成。對固定在電機(jī)軸上兩個磁環(huán)磁場進(jìn)行感應(yīng)，霍爾輸出直接單片機(jī)的模擬輸入口，無需放大電路，有利于降低系統(tǒng)成本。其中貼片霍爾輸出接ADC0 和ADC1，插件霍爾輸出接ADC2。系統(tǒng)的控制框圖如圖2 所示，根據(jù)霍爾信號通過位置求解算法實(shí)時得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，作為機(jī)械環(huán)的反饋，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器，得到電流環(huán)指令，然后根據(jù)電機(jī)三相實(shí)際反饋電流得到電流指令偏差，通過PI 調(diào)節(jié)器得到電壓指令信號，采用PWM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)對IPM 的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩的有效控制。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

2 準(zhǔn)無位置傳感器位置檢測方案設(shè)計(jì)

霍爾感應(yīng)模塊由兩個磁環(huán)和霍爾元件組成，磁環(huán)一為單對極磁鋼，定義為粗碼道;磁環(huán)二為6 對極磁鋼，定義為精碼道。磁環(huán)固定在電機(jī)軸上，相隔一定距離以消除兩個碼道之間的磁耦合。

霍爾元件的輸出信號包含了轉(zhuǎn)子位置信息，傳統(tǒng)方法是采用求反正切方法得到，但計(jì)算比較復(fù)雜且精度不高。本文利用校準(zhǔn)查表的方法得到角度θ，預(yù)先用高分辨率的增量式光電編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)，得到霍爾輸出信號和標(biāo)準(zhǔn)角度的對應(yīng)關(guān)系，然后通過單片機(jī)的自編程技術(shù)無需拆卸硬件將數(shù)據(jù)存儲到單片機(jī)的ROM 中?？刂七^程中，根據(jù)霍爾信號查表得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，響應(yīng)速度較快。

2.1 粗碼道設(shè)計(jì)

采用廉價永磁體徑向充磁得到單對極磁鋼環(huán)作為粗碼道，磁鋼環(huán)固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，3 個線性插件霍爾H4，H5，H6均勻分布在磁鋼外環(huán)，依次相距120°，霍爾與磁鋼之間氣隙為0.75 mm，如圖3(a)所示。磁環(huán)可均勻細(xì)分為6 個60°子區(qū)間如圖3(b)所示。當(dāng)霍爾元件感應(yīng)的磁場為“N”，霍爾輸出定義為“0”，反之定義為“1”。因此電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動磁鋼環(huán)旋轉(zhuǎn)一周，三個線性霍爾輸出為如圖4 所示的6個狀態(tài)，其代表的絕對角度偏移值如表1 所示。偏移值預(yù)先存儲在ROM 中，在工作中根據(jù)霍爾H4，H5，H6查表得到此時的絕對偏移量。

圖4 霍爾輸出信號狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

表1 霍爾輸出與理論角度映射關(guān)系

2.2 精碼道設(shè)計(jì)

精碼道實(shí)現(xiàn)粗碼道中每區(qū)域內(nèi)角度的再細(xì)分以提高角度測量分辨率。6 對極精碼道基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示，任一“N -S”對應(yīng)理論角度60°。三個線性貼片霍爾元件H1，H2，H3焊接在印刷電路板(PCB)上，其物理安裝角度均勻間隔20°。3 個線性霍爾元件的輸出可用下式描述:

圖5 6 對極精碼道結(jié)構(gòu)示意圖

定義精碼道中任一相鄰“N -S”為一個信號周期，線性霍爾理論輸出波形如圖6 所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°，霍爾信號變化6 個信號周期，對應(yīng)于機(jī)械角度360°。

圖6 霍爾理論輸出波形

角度求解算法在信號處理上采用基于校準(zhǔn)查表的處理方式。預(yù)先用一高分辨率的增量式光電編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)狀態(tài)下，光電編碼器通過特定的高同軸度工裝和伺服電機(jī)連接，在勻速旋轉(zhuǎn)過程中通過數(shù)據(jù)采集和處理工具對光電編碼器的角度脈沖輸出和霍爾信號v1，v2，v3同時進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)通過USB 上傳到上位機(jī)，采用基于改進(jìn)移動窗口最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到實(shí)際物理角度和線性霍爾輸出之間唯一對應(yīng)關(guān)系。利用單片機(jī)在線自編程技術(shù)無需拆卸硬件而將數(shù)據(jù)下載到單片機(jī)的ROM中。工作過程中根據(jù)霍爾信號查表得到轉(zhuǎn)子在任一“N-S”下相對偏移角度。

現(xiàn)有v1，v2，v3三條信號，需要確定用哪相查表誤差最小精度最高。從三條信號曲線特性我們可以分析出，在［0°，5°］范圍內(nèi)，v1幅值變化范圍最大，v3次之，v2最小，因此v1具有最好的線性度，適合作為查表基準(zhǔn)，其他區(qū)間分析類似。在工作狀態(tài)下，算法處理流程如圖7 所示，精碼道霍爾輸出信號v1，v2，v3通過運(yùn)算放大器進(jìn)行信號放大，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，然后進(jìn)行信號的低通濾波、溫漂補(bǔ)償?shù)群罄m(xù)處理，查表得到轉(zhuǎn)子在所處磁極區(qū)間內(nèi)的相對偏移量;同時對絕對碼道霍爾H4，H5，H6的輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)編碼，查表得到轉(zhuǎn)子所處磁極區(qū)間的絕對偏移量，兩者合成得到轉(zhuǎn)子的絕對角位移。

圖7 角度求解流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

準(zhǔn)無位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。采用三菱智能功率模塊IPM 驅(qū)動電機(jī)，單片機(jī)通過SPI 與外部設(shè)備進(jìn)行通訊來進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，位置設(shè)定等操作，系統(tǒng)參數(shù)存儲在EEPROM 中。

霍爾模塊中，精碼道的三個貼片霍爾輸出波形如圖9 所示，粗碼道對應(yīng)的插件霍爾輸出波形如圖10 所示。將角度通過串口輸出到計(jì)算機(jī)得到誤差如圖11 所示，結(jié)果表明角度分辨率能夠達(dá)到15 位。

圖11 角度分辨率

電機(jī)控制算法采用經(jīng)典的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略。在控制程序設(shè)計(jì)上，主程序周期設(shè)置為60 μs，即在波峰和波谷都進(jìn)入中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中先讀取霍爾信號值，通過查表得到當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置信息，然后進(jìn)行機(jī)械環(huán)和電流環(huán)的控制，最終得到六路PWM 控制信號驅(qū)動功率模塊，軟件運(yùn)行時序如圖1 2 所示。圖1 3 為系統(tǒng)從0 上升到4 000 r/min 運(yùn)行一段時間再制動到0 的頻繁起停波形，其中圖13(b)為圖13(a)實(shí)線部分的局部放大圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整個控制系統(tǒng)工作正常，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖13 4 000 r/min 電機(jī)單相電流波形

4 結(jié) 語

本文提出了一種應(yīng)用線性霍爾元件實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)準(zhǔn)無位置傳感器控制策略，設(shè)計(jì)了一套生產(chǎn)工藝簡單的霍爾信號產(chǎn)生模塊，并且基于MCU 進(jìn)行了控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子高精度絕對檢測，實(shí)時性好，解決了控制系統(tǒng)的成本和性能之間的矛盾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)控制精度高，調(diào)速范圍寬，響應(yīng)速度快，性能可靠，適合于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中批量應(yīng)用。

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