前言

由于安裝在永磁同步電機定子上的線性霍爾傳感器的輸出模擬信號與轉(zhuǎn)子氣隙磁場強度成比例，與反電動勢同相位，通過使用線性霍爾傳感器代替光電編碼器和開關(guān)爾傳感器可得到轉(zhuǎn)子的位置和速度信息;在此基礎(chǔ)上，給出一種不需要在靜止坐標系和轉(zhuǎn)坐標系之間相互變換，可以在靜止坐標系中直接產(chǎn)生相電流命令的場定向控制算法。

一、設(shè)計思路

在現(xiàn)有基于開關(guān)霍爾傳感器和增量式光電編碼器的永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)中，開關(guān)霍爾傳感器主要用來確定電機起動時轉(zhuǎn)子的位置(精度為60°電角度)以便制器可以將電流輸入適當定子繞組，實現(xiàn)電機起動，同時，在電機運行過程中用于提供電流換向信號。光電編碼器要用于電機運行時轉(zhuǎn)子位置檢測，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度計算。由于轉(zhuǎn)子位置信息是磁場定向控制方法中進行坐標變換、度控制、位置控制等運算時必需的輸入信息，其采樣精度對制效果具有重要影響。

為了降低系統(tǒng)成本且保證控制性能，本文提出的新型交流伺服系統(tǒng)使用價格低廉的線性霍爾傳感器代替增量式光電編碼器和開關(guān)霍爾傳感器利用霍爾傳感器能夠敏感磁場強度變化的特點通過對線性霍爾傳感器輸出信號進行檢測，實現(xiàn)電機起動、電流換向、轉(zhuǎn)子位置和信息反饋。

1.算法描述

以單極對永磁同步電機為例，將 3個線性爾傳感器以彼此相差120°電角度的方式安裝在定子上。由于永磁同步電機氣隙磁場波形是正弦波當線性霍爾傳感器處于正弦波氣隙磁場中時，其輸出電壓信號uh1、uh2、uh3與氣隙磁場分布的波形相同，且幅值固定，即：

uh1=Ksinθ

uh1=Ksin（θ-120°）

uh1=Ksin（θ+120°）

（式1）

式中，K =KhIhBm，為氣隙磁場基波霍爾電勢幅值;Kh為霍爾傳感器的霍爾電勢系數(shù)，單位為 V/(A*T);Ih為霍爾傳感器的勵磁電流，單位為 A；Bm為被敏感氣隙磁場的磁感應(yīng)強度峰值，單位為T;θ=ωt,為轉(zhuǎn)子角速度，單位為rad/s。

由（式1）可知，轉(zhuǎn)子位置的任何變化都會使線性霍爾傳感器輸出信號改變，因此，可以從線性霍爾傳感器輸出信號中獲得轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速等信息。具體實現(xiàn)思路如圖所示

由圖可知，首先， 360°電氣角根據(jù)正負取值分為編號為1~6的6個區(qū)間每個區(qū)間為60°同時，建立一個0°~60的反正弦表格，表格精度為：

r= int(2An-1×sin60°)（式2）

其中， int()表示對括號中的數(shù)值進行取整運算:An表示所使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精度。

將線性霍爾傳感器輸出信號 Ha、Hb、Hc行模數(shù)轉(zhuǎn)換，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果與轉(zhuǎn)換基準值之間的大小關(guān)系，如果轉(zhuǎn)換結(jié)果大于基準值，則轉(zhuǎn)換結(jié)果取正號，否則取負號;根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的正負，對照圖1，即可確定電機轉(zhuǎn)子當前處于1~6哪個區(qū)間中;在電機起動時，該信息可用于確定轉(zhuǎn)子初始位置，在電機運行中，該信息可用作電流換向信號，從而實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)中開關(guān)霍爾傳感器能。

電機起動后，利用上述方法判斷轉(zhuǎn)子當前所處區(qū)間，在區(qū)間 1~6中，分別使用Ha、-Hc、Hb、-Ha、Hc、-Hb的模糊轉(zhuǎn)換結(jié)果在反正弦表格中查表，利用（式3）即可得到以角度方式描述的轉(zhuǎn)子位置，從而實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)中增量式光電編碼器的功能。

θ=θx+(n-1)×60°（式3）

式中，θ為轉(zhuǎn)子位置；θx為查表結(jié)果；n為轉(zhuǎn)子當前所處的區(qū)間

得到轉(zhuǎn)子位置信息以后，計算轉(zhuǎn)子角度增量對速度采樣時間的微分，利用（式4）即可得到轉(zhuǎn)子速度：

ω（k）

（式4）

式中，ω(k)為第k時刻的轉(zhuǎn)子速度，單位rad/s;θ(K)為第k時刻的轉(zhuǎn)子位置，單位為rad;ΔT為速度采樣周期，單位為S，k表示速度采樣時刻。

需要注意的是，當轉(zhuǎn)子角度從0°變化到360°，或從360°變化到0°的時候，直接利用（式4）計算轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致速度計算誤差。此時，可假設(shè)轉(zhuǎn)子速度在一個速度采樣周期內(nèi)的變化忽略不計，當檢測到轉(zhuǎn)子角度增量太大時，用前一個采樣周期的角度增量代替，這樣，即可避免較大的速度估算誤差。

在上述轉(zhuǎn)子位置、速度檢測方法中，由于使用線性霍爾傳感器MH481代替了光電編碼器和開關(guān)霍爾傳感器，因此，大大降低了電機成本，減少了安裝工序和外圍器件；另外，由（式2）（式3）可知，只要模數(shù)轉(zhuǎn)換器和反正弦表格的精度夠高，就可以保證轉(zhuǎn)子位置、速度反饋信息的高精度。

二、產(chǎn)品應(yīng)用

總結(jié)

線性霍爾傳感器MH481有TO-92S、TSOT-23、QFN2020-3、QFN2020-6四種封裝形式，能適應(yīng)所有的檢測位置。