交流伺服电机霍尔位置传感器关键技术综述

韩膨合

摘要：交流伺服电机广泛应用于新能源、航空航天、家电等领域。基于此，本文对交流伺服电机霍尔位置传感器关键技术进行了探讨。关键词：交流伺服电机;霍尔位置传感器;关键技术

在传统的交流伺服系统中，通常使用位置传感器获取转子位置信息及转速。位置传感器主要用光电编码器、旋转变压器、磁编码器等，虽然编码器可获得高分辨率转子位置信息，但其高成本和大体积限制了其在低成本驱动及精密驱动领域的应用，许多编码器接口线路更易发生位置传感器故障故障。

一、电机转速及转子位置预估技术

1、霍尔位置传感器工作原理。霍尔位置传感器是一种线性开关传感器，其输出信号含有高次谐波，位置信息获取算法复杂，开关型霍尔传感器可产生高低稳定逻辑电平。霍尔位置传感器一般以空间120°电角度均匀布置在电机端集成电路板上，或嵌入定子铁芯内（外转子轮毂电机），其中大多数使用与电机转子相同极数的磁极片，霍尔传感器根据相应区域内磁极片的极性生成逻辑电平“0”或“1”。该布局使霍尔位置传感器将电气周期划为六个扇区，永磁无刷直流电机根据六个离散霍尔位置点换相（两相导通三相六状态驱动方式）。但磁场定向控制技术对转子位置信息的分辨率要求高，从而衍生出基于霍尔传感器的转速及转子位置预估技术。与无位置传感器控制方式相比，位置传感器驱动的交流伺服电机自起动简单可靠，在宽调速范围内具有良好的转矩-转速性能。

2、电机转速及转子位置预估技术。当前，在无刷直流电机设计中，大多数定子绕组用短距和分布式绕组，反电动势接近正弦波。在此基础上，磁场定向控制可应用于驱动，永磁同步电机磁场定向控制也需连续的转子位置信息。所以利用离散霍尔信号进行高分辨率转子位置信息预估是霍尔传感器驱动交流伺服电机控制的关键。

①线性外插法。1996年大阪府立大学的ShigeoMorimoto等提出一种基于硬件电路的线性外插法来预估转子位置及转速。俄亥俄州立大学JianrongBu以霍尔扇区为时间基值的轉速积分获取转子位置信息，并提出了该方法的软件实现思路。之后，相关学者对此方法进行了一系列研究改进。

此外，虽然线性外插法转子位置预估技术编程和实现简单，但在预估中引入了电机转子平均转速（从霍尔扇区时间获得），由于霍尔安装位置偏差等因素，转速波动大，转速闭环干扰增大，驱动噪声增大。

②矢量追踪观测器。矢量追踪观测器分为霍尔信号偏差模块、控制模块、带转矩前馈输入的机械运动系统模块。霍尔信号偏差模块是二维αβ空间静止坐标系中的霍尔信号与转子位置预估信号做差。控制器采用比例-积分-微分环节。根据电机机械运动方程，建立机械运动系统模块，并在此基础上，引入前馈转矩输入提高系统动态性能。矢量追踪观测器能在零速或低速下平稳运行，具有良好的稳态与动态性能。然而，由于观测器系统参数的设定和霍尔信号的高次谐波干扰，估计性能在一定程度上降低。

为解决这些问题，麦迪逊威斯康星大学的M.C.Harke提出了一种基于霍尔信号傅里叶（FFT）解耦反馈的矢量追踪观测器。然后，提出了一系列改进的矢量追踪观测器法，取得了良好的预估性能。

2008年，韩国的Seung-kiSul教授为进一步减少转子位置及转速估计的滞后，在减少稳态误差基础上，提出了霍尔位置传感器的级联观测器法，实现了无静差控制，进一步提高了驱动系统调速范围。

二、霍尔位置传感器安装偏差补偿技术

大多数交流伺服电机的研究默认霍尔位置传感器以120°电角度均匀布置在电机端部。但这一假设在低成本、低精度和大规模生产的交流伺服电机中无法得到保证。当霍尔位置传感器不再准确排列时，电机换相顺序将因位置偏差而扭曲。

1、基于平均滤波器的霍尔偏差补偿。2007年，伊朗德黑兰大学的PooyaAlaeinovin分析了霍尔安装位置偏差对电机驱动性能的影响，提出了霍尔安装位置偏差及传感器、转子磁极轴线不重合度偏差检测技术，并提出了两种位置偏差补偿技术。针对安装位置偏差问题，提出了基于霍尔位置信号输入及输出时序的四种平均滤波技术，输出补偿后虚拟霍尔信号。

2、基于改进矢量追踪观测器的霍尔偏差补偿。2008年，韩国的Seung-ki

Sul教授在级联观测器基础上，提出一种电流注入及磁链观测器相结合的方法来补偿霍尔安装偏差，通过将电流矢量注入同步坐标系q轴，判断估计与实际同步坐标系dq轴线的超前和滞后关系，在同步坐标系下，轴线滞后关系会引起线轴电流变化，影响电磁转矩。在此基础上，提出了霍尔传感器角度偏差补偿。

虽然带霍尔偏差补偿的级联观测器能有效补偿霍尔偏差，并具有良好的起动性能，但它仅限于SPMSM，不能推广到嵌入式交流同步伺服电机。2011年，韩国Sam-YoungKim提出了一种改进的VTO电机转速及转子位置预估方案，考虑到霍尔传感器偏差问题，高精度电机转速通过转速（基于霍尔扇区时间及角度）前馈输入，补偿安装位置偏差。整体控制框图由单位反电动势计算模块、转速前馈输入、控制器组成。

在交流伺服电机的无位置传感器控制中，反电动势幅值与电机转速成正比，反电动势反映了转子的实际位置信息，然而，随着转速的降低，反电动势的幅值及频率也随之降低，所以硬件采样电路精度要求高。2013年，弗吉尼亚理工大学面对反电动势观测器低速采样精度低、计算复杂等问题，为进一步提高预估性能，提出了一种基于动态转矩的VTO转子位置预估方案。利用电流电压模型建立磁链观测器，将预估转矩与给定转矩比较，通过输入补偿器对电机转子位置进行补偿，该方法适用于SPMSM及IPMSM。

3、基于降阶观测器的霍尔偏差补偿。VTO法霍尔安装位置偏差补偿能在稳态预估中获得良好的估计性能，然而，由于电机运动方程依赖于其运动估计方程，所以负载时变下的估计及补偿性能会受到影响。为解决这一问题，韩国弘益大学Hyung-JinAhn于2016年提出了基于遗传因素的最小二乘法来补偿霍尔传感器安装位置误差，利用二乘法估计得到的精确转子位置信息作为降阶观测器（ROLB）的输入，得到精确的转子位置信息。该方法简单可靠，计算量小，预估性能不受负载变化影响。

三、霍尔位置传感器故障容错技术

1、基于霍尔信号FFT解耦的容错控制。2013年，意大利卡塔尼亚大学的GiaCoMeCobe及罗马大学的GiuliodeDonato最早提出了霍尔位置传感器在线故障诊断及容错控制的研究。

单霍尔故障以检测是否存在零矢量（Hα-Hβ），若存在零矢量，则为单霍尔故障，具体故障类型由零矢量后矢量相位判定;双霍尔故障诊断仅取决于故障后剩余两矢量位置关系。有18种单霍尔、双霍尔故障，快速傅里叶分解（FFT）给出了对应于18种类型的函数，并存储在Lookuptable程序中。故障诊断完后，对霍尔信号进行解耦，根据故障类型向矢量追踪观测器提供基波信息反馈与高次谐波故障信息反馈，以完成故障诊断及补偿。

基于坐标变换的霍尔故障诊断方法虽能有效诊断各种故障，但故障诊断速度慢，计算量大，导致电机在故障诊断中的驱动性能由于无法有效补偿而突然下降。霍尔位置信号状态值及跳变沿本身包含可用于检测霍尔故障类型的电机转子位置信息与转向信息。2016年，加拿大的LianghuiDong提出了一种基于霍尔信号状态值与霍尔跳变沿相结合的故障检测方法。

2、基于泰勒算法的容错控制。首次将基于平均转速及加速度的转子位置预估技术应用于霍尔传感器驱动的交流伺服电机中，2016年GiacomoScelba提出了基于该预估技术的霍尔传感器容错控制技术。

在霍尔故障后，与相邻跳变沿相对应的角度值存储在lookuptable中，并结合与该角度相对应的捕获时间值来计算容错转速，基于转速积分能得到补偿后电机转子位置，该方法简单可靠，可实现单/双霍尔故障的有效补偿。

参考文献：

[1]李志强.基于线反电动势的无刷直流电机无位置传感器控制[J].电工技术学报，2015（07）.

[2]吕德刚.交流伺服电机霍尔位置传感器关键技术综述[J].电机与控制学报，2019（06）.