永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因具有體積小、重量輕、能量密度高和運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)的主流驅(qū)動(dòng)單元，在航空航天、汽車和家電等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

對(duì)電機(jī)進(jìn)行高性能控制首先需要獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置。常用的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法主要包括有位置傳感器、無(wú)位置傳感器及準(zhǔn)無(wú)位置傳感器控制方法。傳統(tǒng)的有位置傳感器檢測(cè)方法常采用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器。這些傳感器可以獲得較高的位置分辨率，但同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)成本和體積增加、硬件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，甚至降低了系統(tǒng)的可靠性。無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)方法主要分為基于基波數(shù)學(xué)模型的估計(jì)方法和基于高頻信號(hào)注入的估計(jì)方法兩類。

目前，這兩類方法都還不能實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置與速度的估算。同時(shí)位置與速度估算性能受電機(jī)參數(shù)、電機(jī)溫度、逆變器非線性等因素的影響，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的目標(biāo)。

開關(guān)式霍爾位置傳感器具有體積小、成本低、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，通常應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor, BLDCM）中，提供電機(jī)換相的參考信號(hào)。將開關(guān)式霍爾位置傳感器用于PMSM的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)又稱為準(zhǔn)無(wú)位置傳感器控制方法，是一種既能夠保證電機(jī)運(yùn)行性能，同時(shí)降低系統(tǒng)成本的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)。三相開關(guān)式霍爾位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)僅提供六個(gè)離散的霍爾信號(hào)，對(duì)應(yīng)離散的轉(zhuǎn)子位置信息。目前，采用離散的霍爾位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的高分辨率估算主要包括插值法和觀測(cè)器法兩類。

有學(xué)者提出了基于平均速度法和平均加速度法的兩種轉(zhuǎn)子位置插值估算法。平均速度法采用傳統(tǒng)T法測(cè)速，其速度及位置估算精度與霍爾傳感器輸出信號(hào)密切相關(guān)。在實(shí)際中，由于安裝工藝限制，霍爾傳感器的安裝誤差或電機(jī)磁極的非對(duì)稱性均會(huì)造成霍爾傳感器輸出信號(hào)存在偏差。

為減小霍爾傳感器安裝誤差引起的轉(zhuǎn)子位置估算誤差，有學(xué)者提出了一種霍爾轉(zhuǎn)子位置預(yù)估及其校正方法，利用六個(gè)離散的霍爾信號(hào)將轉(zhuǎn)子位置區(qū)間分為六個(gè)扇區(qū)，將霍爾扇區(qū)初始位置校正和線性校正法結(jié)合，減小由于霍爾傳感器安裝誤差造成的轉(zhuǎn)子位置估算誤差，但此方法不能解決電機(jī)磁極的非對(duì)稱引起的霍爾信號(hào)偏差造成的影響，而且霍爾扇區(qū)初始校正時(shí)需要首先確定三相霍爾信號(hào)中產(chǎn)生偏差的具體是哪一相，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行校正，從而增加了算法復(fù)雜度并限制了其應(yīng)用。

有學(xué)者將最小二乘法應(yīng)用到霍爾信號(hào)的處理上，采用多區(qū)間測(cè)速方法，在降低速度估算誤差的同時(shí)補(bǔ)償了位置估算誤差。但是為提高低速階段電機(jī)速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在算法設(shè)計(jì)時(shí)要加入方波驅(qū)動(dòng)方式，增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

有學(xué)者采用狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度的估計(jì)，雖然具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但位置及速度估算誤差會(huì)由于霍爾信號(hào)輸出存在的偏差而增大。

有學(xué)者采用結(jié)合了磁鏈觀測(cè)器的矢量跟蹤觀測(cè)器，抑制了由霍爾信號(hào)偏差引起的轉(zhuǎn)子位置估算誤差。但增加的磁鏈觀測(cè)器性能容易受到電流傳感器精度及外部溫度等因素的影響。采用觀測(cè)器法雖然可以解決插值法帶來(lái)的滯后效應(yīng)，但其受電機(jī)參數(shù)的影響較大，而且當(dāng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速很高時(shí)，對(duì)觀測(cè)器帶寬的要求較高。帶寬過(guò)寬不僅增大高頻干擾而且影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此觀測(cè)器估算性能會(huì)因電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高而變差。

針對(duì)上述霍爾信號(hào)不對(duì)稱引起轉(zhuǎn)子位置及速度估算誤差增大的問(wèn)題，本文提出了基于霍爾矢量相位跟蹤（Hall Vector Phase Tracking, HVPT）的PMSM轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法。首先將三相霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換得到霍爾旋轉(zhuǎn)矢量；提出并采用一種自適應(yīng)同頻跟蹤濾波器（Synchronous Frequency Tracking-Filter, SFTF），然后將其分別作用于旋轉(zhuǎn)矢量的兩個(gè)正交分量，得到的基頻信號(hào)分別為轉(zhuǎn)子位置的正弦與余弦函數(shù)；最后用正交鎖相環(huán)提取出轉(zhuǎn)子的位置與速度信息。

與傳統(tǒng)T法速度及位置估算方法相比，該方法可有效降低由于安裝工藝導(dǎo)致霍爾信號(hào)不對(duì)稱所引起的轉(zhuǎn)子位置及速度估算誤差。仿真分析驗(yàn)證了所提方法的正確性，將所提方法應(yīng)用于磁懸浮DN250CF中抽速分子泵樣機(jī)，最終速度估算誤差控制在0.5%以內(nèi)，位置估算平滑連續(xù)，相電流對(duì)稱性好，正弦度高，證明了所提方法的有效性。

圖11 PMSM仿真控制框圖

圖17 永磁同步電機(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

總結(jié)

本文以開關(guān)式霍爾位置傳感器的工作原理與坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)，分析了霍爾信號(hào)不對(duì)稱對(duì)霍爾矢量頻譜產(chǎn)生的影響，提出了基于霍爾矢量相位跟蹤的PMSM轉(zhuǎn)子位置與速度估算方法。主要得到以下結(jié)論：

• 1）采用本文所提方法估算的高分辨率轉(zhuǎn)子位置連續(xù)平滑，具有良好的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，電機(jī)穩(wěn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速估算誤差控制在0.5%以內(nèi)。
• 2）采用自適應(yīng)同頻跟蹤濾波器可以濾除由于霍爾信號(hào)不對(duì)稱引起的霍爾矢量高頻奇次分量增加的現(xiàn)象，有效降低了霍爾位置傳感器安裝不對(duì)稱及電機(jī)磁極不對(duì)稱引起的轉(zhuǎn)子位置與速度估算誤差，彌補(bǔ)了電機(jī)加工工藝的缺陷。
• 3）該方法適用于安裝有三相開關(guān)式霍爾位置傳感器的永磁電機(jī)。采用該方法估算轉(zhuǎn)子位置與速度不需要電機(jī)的相電阻、相電感等參數(shù)，可靠性強(qiáng)。