摘要：分析了基于离散位置信号F永磁同步电机的空间矢量控制技术的关键，即在匀速、加减速情况下如何获得准确的位置信号。应用英飞凌单片机的定时器模块模拟计算出更多的位置信号，从而实现在低成本、高速运行情况F电机的卒问矢量控制。

    关键字：矢量控制；霍尔传感器；永磁同步电动机

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2010)07-0051-03

    永磁无刷电动机可以有两种运行方式：无刷直流和永磁同步。无刷直流电动机的霍尔位器传感器价格低廉，但电磁转矩品质不够好；永磁同步电动机转矩波动小、控制特性良好，但需要高精度的位置传感器。通常采用光电编码盘、旋转变压器、感应同步器、线性霍尔等传感器件，价格昂贵，安装调试要求高，有时会影响电机位置的动态特性。因此，无位置传感器技术引起人们的重视。但是，无位置传感技术实现难度大，尚需在理论和技术加以完善。综合考虑成本和性能等各方面因素，使用成本低、体积小的开关霍尔元件，再加些相对简单的估算算法是一个比较好的解决方案．

本文从控制策略的角度出发，提出了一种基于简易霍尔传置信号实现电压空间矢量控制的方法（以下简称混合控制策略），即利用六个离散位置信号，在不增加系统成本的情况下，较好地产生所需的正弦电压。洋细分析了该方法的控制环节，转子位置的估计及电压空间矢量与转子磁势间的夹角的合理选择等，并分析了在匀速、加减速下系统的处理方法。

    当逆变器单独输出基本电压空间矢量U0时，电动机的定子磁链矢量ψ，矢端从A和B沿平行于Uo方向移动，如图l所示。当移动到B点时，如果改摹本电压空间矢量为ψ。输出，则定子磁链矢量ψ的矢端也相应改为从B到C的移动。依次，当全部六个非零基本电压空间矢量分别单独输出后，定子磁链矢量ψ矢端的运动轨迹是个正六边形。

  显然，按照这样的供电方式只能形成正六边形的旋转磁场，而不是圆形旋转磁场。为了得到圆形的旋转磁场，可以利用六个非零的基本电压空间矢量的线性组合来得到更多的开关状态。在图2中，UN和U60代表相邻的两个基本电压空间矢量，Uout是输出地相电压的幅值，其旋转角就是输出正弦电压的角频率。Uout可由线性时间组合来合成，按伏秒等效原理，有：

    按照这种方式，在每个Tpwm期间，改变相邻基本矢量作用的时间，并保证所合成的电压空间矢量的幅值都相等，因此，当TPW取足够小时，电压空间矢量的轨迹是一个近似圆形的正多边形。

    由图2，根据三角形的正弦定理有：

    由式(2)和式(3)解得

    式中θ的准确性直接影响电机的运行性能。因此高性能伺服系统都要采用高精度的转子位置传感器。本文则利用低成本火儿位置传感器实现永磁无刷电动机的正弦波驱动。

    利用低分辨率位置信号进行转子位置的检测和估计，可分为两部分，一部分是离散的位置信号，有：

    即每一个电角度周期由开关霍尔所提供的六个离散霍尔状态，这是很容易准确实现的。

    设定子三相绕组对应的霍尔信号分别是Ha、Hb、Hc，L为高电平，O为低电平。表1为开关霍尔位置信号与转子位置的对应关系。

    另一部分是预估当前转子的准确位置信息Δθk。转子位置的估计方法可通过硬件数字电路实现，也可由单片机软件算法完成。本文用软件算法来实现，省略了外围硬件电路i，其基本原理是基于电机的机械时间常数远大于电气时间常数，因此可以认为在每60度电角度内转子的转速是均匀的。用一个定时器记下上- 60度电角度作用时间Ti-1，将其赋给当前sector作用时间t，利用离散化的时间算法，计算出当前60度电角度扇区/等份后每一份作用时间△T，那么在当前sector中每隔△T时间，离散的角度AOx中K自动加1，直至K=N。于是当前转子的理想位置为：

  Uout与起始定向向量的夹角为：

       

  从而实现离散位置信号下多个转子位置信号的估计。

    当电机转速发生变化时，上一区间导通时间不能准确代表当前区间所应持续导通的时间。如不采取适当的校正措施，势必造成误差累积影响系统控制精度，严重时会导致电机失步。因此，位置信号及时校正是必须的。本文利用霍尔位置传感器提供的6个准确位置信号，在每一位置区间开始时对转子位置的预估值进行校正。

    系统在加速时，当60度位置Hall信号来临时，混合控制策略滞后基准位置信号，如图3所示，转子已经转过60度电度角，但混合控制策略还}有转完60度电角度，此时应在圈3混合控制策略接收到Hall信号后立即将混  滞后基准位置信号合控制策略的相位切换至校正相位。经过上述位置信号的预估校正后，可以使电压空间矢量与转子位置同步旋转，保证永磁同步电动机的自同步运行。

 

    系统在减速时，当60度位置Hall信号来临时，混合控制策略超前基准位置信号，如图4所示，混合控制策略已经转过60度电角度,图4混合控制策略没有转完60度电角度，此时应超前基准位置信号保持电压空间矢量的相位不变，直到转子转过60度电角度产生的Hall信号才做切换，保证电动机的自同步运行。

  

    利用三相Hall信号提供的6个确定的转子位置信号，每隔60度电角度对电压空间矢量的相位进行一次校正，可以消除位置误差的积累，保证电压空间电压矢量与转子位置同步旋转。

    系统选用XC164CM英飞凌单片机作为主控芯片，其各种功能设计便于实现电机控制，并且具有极强的抗干扰能力，同时选择IR2130作为功率驱动模块，整个驱动电路简洁明了。永磁无刷电动机控制系统是由电机本体、主控部分、驱动电路、位置检测信号电路、电流检测电路和保护电路，整体结构如图5所示。逆变器主电路采用通用的三相桥式拓扑结构，对于小功率永磁尤刷电动机控制系统，其功率器件通常采用MOS管，驱动电路简单，开关速度快。霍尔位置传感器，安装在电机内。

   

    基于离散位置信号下的空间矢量控制，其位置信号是依据前- 60度电角度进行等分，然后作为当前位置信号计算的时间基准。在XC164CM英飞凌单片机控制系统中，可以设置管脚CC6POSl -3为外部中断，且上升、下降沿脉冲有效。CC6POS1、CC6POS2、CC6POS3分别对应一个中断寄存器，即当外部脉冲发生翻转时，进入中断服务程序，同时开启一个定时器。等下一次外部脉冲发生翻转时，再次进入中断服务程序，同时读取定时器的值，然后定时器清零，再重新开启。如此反复，即呵以记录下每个60度电角度的时间。

    由于位置的估计是建立在对离散霍尔时间间隔的计算。在复杂工况下，尤其是在起动阶段，由于速度偏低，计数器有可能溢出，因此估算将很不准确。如果我们再根据前- 60度电角度进行等分，然后作为当前位置信号计算的时间基准，则很难正确地反映当前的转子位置。因而有必要在起动阶段采用直流无刷起动方式。即根据霍尔检测到转子的位置，在电机定子绕组中通入电流使得产生的磁场超前转子位置120度电角度，这样的磁场持续导通60度电角度时间。即当下一次霍尔变化时，才将磁场方向再提前60度。依次类推．使得合成磁势与转子夹角在60度~ 120度范围内变化，从而带动转子转起来。当电机达到一定转速时，将直流无刷导通方式切换到空间矢量方式运行，从而较好解决了低速起动脉动很大，甚至失步的问题。

    本系统的实验平台包括：一台300 W的（磁同步电动机；一套以XC164CM英飞凌单片机为核心的仿真器；基于IR2130和IR2807的功率驱动、电流保护等电路。图6足利用离散开关霍尔位置信号进行位置估计下控制器输出的相电压波形。从图中可以看出，50c70 PWM占空比下的相电压波形呈现如很好的马鞍型，而且相电压过零点与霍尔位置信号严格对齐，论证了本理论良好的可行性。

 

    图7是直流无刷三_三导通切换到SVPWM导通时某相动态切换相电压的波形。图中第一、二周期相电压波形呈现标准的导通相电压波形；第三、四周期是动态切换过程，从图中可以看出，波形有一定的畸变，导通时间增加，关断时间缩短。第五周期相电压呈现出马鞍形，说明切换已经完成。从实验波形可以看出，利用离散位置信号开启一个定时器，计算速度大小，设置速度阈值进行两种导通方式切换。其平滑性良好，说明本文提出的混合控制方法是可行和有效的。

图中可见，L总是在零点附近不断调整，而Iq为一恒定值；相电流波形则呈现出很好的正弦性。