交流伺服電機霍爾位置傳感器關(guān)鍵技術(shù)綜述

韓膨合

摘要：交流伺服電機廣泛應(yīng)用于新能源、航空航天、家電等領(lǐng)域?；诖?，本文對交流伺服電機霍爾位置傳感器關(guān)鍵技術(shù)進行了探討。關(guān)鍵詞：交流伺服電機;霍爾位置傳感器;關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)中，通常使用位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息及轉(zhuǎn)速。位置傳感器主要用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、磁編碼器等，雖然編碼器可獲得高分辨率轉(zhuǎn)子位置信息，但其高成本和大體積限制了其在低成本驅(qū)動及精密驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用，許多編碼器接口線路更易發(fā)生位置傳感器故障故障。

一、電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)

1、霍爾位置傳感器工作原理。霍爾位置傳感器是一種線性開關(guān)傳感器，其輸出信號含有高次諧波，位置信息獲取算法復(fù)雜，開關(guān)型霍爾傳感器可產(chǎn)生高低穩(wěn)定邏輯電平?；魻栁恢脗鞲衅饕话阋钥臻g120°電角度均勻布置在電機端集成電路板上，或嵌入定子鐵芯內(nèi)（外轉(zhuǎn)子輪轂電機），其中大多數(shù)使用與電機轉(zhuǎn)子相同極數(shù)的磁極片，霍爾傳感器根據(jù)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)磁極片的極性生成邏輯電平“0”或“1”。該布局使霍爾位置傳感器將電氣周期劃為六個扇區(qū)，永磁無刷直流電機根據(jù)六個離散霍爾位置點換相（兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)驅(qū)動方式）。但磁場定向控制技術(shù)對轉(zhuǎn)子位置信息的分辨率要求高，從而衍生出基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)。與無位置傳感器控制方式相比，位置傳感器驅(qū)動的交流伺服電機自起動簡單可靠，在寬調(diào)速范圍內(nèi)具有良好的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速性能。

2、電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)。當(dāng)前，在無刷直流電機設(shè)計中，大多數(shù)定子繞組用短距和分布式繞組，反電動勢接近正弦波。在此基礎(chǔ)上，磁場定向控制可應(yīng)用于驅(qū)動，永磁同步電機磁場定向控制也需連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息。所以利用離散霍爾信號進行高分辨率轉(zhuǎn)子位置信息預(yù)估是霍爾傳感器驅(qū)動交流伺服電機控制的關(guān)鍵。

①線性外插法。1996年大阪府立大學(xué)的ShigeoMorimoto等提出一種基于硬件電路的線性外插法來預(yù)估轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速。俄亥俄州立大學(xué)JianrongBu以霍爾扇區(qū)為時間基值的轉(zhuǎn)速積分獲取轉(zhuǎn)子位置信息，并提出了該方法的軟件實現(xiàn)思路。之后，相關(guān)學(xué)者對此方法進行了一系列研究改進。

此外，雖然線性外插法轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)編程和實現(xiàn)簡單，但在預(yù)估中引入了電機轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速（從霍爾扇區(qū)時間獲得），由于霍爾安裝位置偏差等因素，轉(zhuǎn)速波動大，轉(zhuǎn)速閉環(huán)干擾增大，驅(qū)動噪聲增大。

②矢量追蹤觀測器。矢量追蹤觀測器分為霍爾信號偏差模塊、控制模塊、帶轉(zhuǎn)矩前饋輸入的機械運動系統(tǒng)模塊?；魻栃盘柶钅K是二維αβ空間靜止坐標(biāo)系中的霍爾信號與轉(zhuǎn)子位置預(yù)估信號做差?？刂破鞑捎帽壤?積分-微分環(huán)節(jié)。根據(jù)電機機械運動方程，建立機械運動系統(tǒng)模塊，并在此基礎(chǔ)上，引入前饋轉(zhuǎn)矩輸入提高系統(tǒng)動態(tài)性能。矢量追蹤觀測器能在零速或低速下平穩(wěn)運行，具有良好的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能。然而，由于觀測器系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和霍爾信號的高次諧波干擾，估計性能在一定程度上降低。

為解決這些問題，麥迪遜威斯康星大學(xué)的M.C.Harke提出了一種基于霍爾信號傅里葉（FFT）解耦反饋的矢量追蹤觀測器。然后，提出了一系列改進的矢量追蹤觀測器法，取得了良好的預(yù)估性能。

2008年，韓國的Seung-kiSul教授為進一步減少轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計的滯后，在減少穩(wěn)態(tài)誤差基礎(chǔ)上，提出了霍爾位置傳感器的級聯(lián)觀測器法，實現(xiàn)了無靜差控制，進一步提高了驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速范圍。

二、霍爾位置傳感器安裝偏差補償技術(shù)

大多數(shù)交流伺服電機的研究默認(rèn)霍爾位置傳感器以120°電角度均勻布置在電機端部。但這一假設(shè)在低成本、低精度和大規(guī)模生產(chǎn)的交流伺服電機中無法得到保證。當(dāng)霍爾位置傳感器不再準(zhǔn)確排列時，電機換相順序?qū)⒁蛭恢闷疃で?/p>

1、基于平均濾波器的霍爾偏差補償。2007年，伊朗德黑蘭大學(xué)的PooyaAlaeinovin分析了霍爾安裝位置偏差對電機驅(qū)動性能的影響，提出了霍爾安裝位置偏差及傳感器、轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合度偏差檢測技術(shù)，并提出了兩種位置偏差補償技術(shù)。針對安裝位置偏差問題，提出了基于霍爾位置信號輸入及輸出時序的四種平均濾波技術(shù)，輸出補償后虛擬霍爾信號。

2、基于改進矢量追蹤觀測器的霍爾偏差補償。2008年，韓國的Seung-ki

Sul教授在級聯(lián)觀測器基礎(chǔ)上，提出一種電流注入及磁鏈觀測器相結(jié)合的方法來補償霍爾安裝偏差，通過將電流矢量注入同步坐標(biāo)系q軸，判斷估計與實際同步坐標(biāo)系dq軸線的超前和滯后關(guān)系，在同步坐標(biāo)系下，軸線滯后關(guān)系會引起線軸電流變化，影響電磁轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上，提出了霍爾傳感器角度偏差補償。

雖然帶霍爾偏差補償?shù)募壜?lián)觀測器能有效補償霍爾偏差，并具有良好的起動性能，但它僅限于SPMSM，不能推廣到嵌入式交流同步伺服電機。2011年，韓國Sam-YoungKim提出了一種改進的VTO電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置預(yù)估方案，考慮到霍爾傳感器偏差問題，高精度電機轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速（基于霍爾扇區(qū)時間及角度）前饋輸入，補償安裝位置偏差。整體控制框圖由單位反電動勢計算模塊、轉(zhuǎn)速前饋輸入、控制器組成。

在交流伺服電機的無位置傳感器控制中，反電動勢幅值與電機轉(zhuǎn)速成正比，反電動勢反映了轉(zhuǎn)子的實際位置信息，然而，隨著轉(zhuǎn)速的降低，反電動勢的幅值及頻率也隨之降低，所以硬件采樣電路精度要求高。2013年，弗吉尼亞理工大學(xué)面對反電動勢觀測器低速采樣精度低、計算復(fù)雜等問題，為進一步提高預(yù)估性能，提出了一種基于動態(tài)轉(zhuǎn)矩的VTO轉(zhuǎn)子位置預(yù)估方案。利用電流電壓模型建立磁鏈觀測器，將預(yù)估轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩比較，通過輸入補償器對電機轉(zhuǎn)子位置進行補償，該方法適用于SPMSM及IPMSM。

3、基于降階觀測器的霍爾偏差補償。VTO法霍爾安裝位置偏差補償能在穩(wěn)態(tài)預(yù)估中獲得良好的估計性能，然而，由于電機運動方程依賴于其運動估計方程，所以負(fù)載時變下的估計及補償性能會受到影響。為解決這一問題，韓國弘益大學(xué)Hyung-JinAhn于2016年提出了基于遺傳因素的最小二乘法來補償霍爾傳感器安裝位置誤差，利用二乘法估計得到的精確轉(zhuǎn)子位置信息作為降階觀測器（ROLB）的輸入，得到精確的轉(zhuǎn)子位置信息。該方法簡單可靠，計算量小，預(yù)估性能不受負(fù)載變化影響。

三、霍爾位置傳感器故障容錯技術(shù)

1、基于霍爾信號FFT解耦的容錯控制。2013年，意大利卡塔尼亞大學(xué)的GiaCoMeCobe及羅馬大學(xué)的GiuliodeDonato最早提出了霍爾位置傳感器在線故障診斷及容錯控制的研究。

單霍爾故障以檢測是否存在零矢量（Hα-Hβ），若存在零矢量，則為單霍爾故障，具體故障類型由零矢量后矢量相位判定;雙霍爾故障診斷僅取決于故障后剩余兩矢量位置關(guān)系。有18種單霍爾、雙霍爾故障，快速傅里葉分解（FFT）給出了對應(yīng)于18種類型的函數(shù)，并存儲在Lookuptable程序中。故障診斷完后，對霍爾信號進行解耦，根據(jù)故障類型向矢量追蹤觀測器提供基波信息反饋與高次諧波故障信息反饋，以完成故障診斷及補償。

基于坐標(biāo)變換的霍爾故障診斷方法雖能有效診斷各種故障，但故障診斷速度慢，計算量大，導(dǎo)致電機在故障診斷中的驅(qū)動性能由于無法有效補償而突然下降?；魻栁恢眯盘枲顟B(tài)值及跳變沿本身包含可用于檢測霍爾故障類型的電機轉(zhuǎn)子位置信息與轉(zhuǎn)向信息。2016年，加拿大的LianghuiDong提出了一種基于霍爾信號狀態(tài)值與霍爾跳變沿相結(jié)合的故障檢測方法。

2、基于泰勒算法的容錯控制。首次將基于平均轉(zhuǎn)速及加速度的轉(zhuǎn)子位置預(yù)估技術(shù)應(yīng)用于霍爾傳感器驅(qū)動的交流伺服電機中，2016年GiacomoScelba提出了基于該預(yù)估技術(shù)的霍爾傳感器容錯控制技術(shù)。

在霍爾故障后，與相鄰跳變沿相對應(yīng)的角度值存儲在lookuptable中，并結(jié)合與該角度相對應(yīng)的捕獲時間值來計算容錯轉(zhuǎn)速，基于轉(zhuǎn)速積分能得到補償后電機轉(zhuǎn)子位置，該方法簡單可靠，可實現(xiàn)單/雙霍爾故障的有效補償。

參考文獻：

[1]李志強.基于線反電動勢的無刷直流電機無位置傳感器控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015（07）.

[2]呂德剛.交流伺服電機霍爾位置傳感器關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電機與控制學(xué)報，2019（06）.