基于低分辨率位置传感器的电动汽车用轮毂电机的控制

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随着能源短缺的日益凸显以及环境污染的日益加剧，电动汽车作为-种环境污染小且使用电能作为驱动的新能源汽车引起了人们越来越多的关注。随着永磁材料的发展和电力电子技术的进步，电机驱动系统也有了长足的进步。其中，将电动机直接安装在车轮上(即采用轮毂电机多轮直接驱动汽车)的方案由于省去了传统汽车的变速器、差速器甚至半轴，可以大大简化电动汽车的传动系统，并且使结构更加紧凑，从而降低整车的重量n]，因此，受到了很大的关注。

此外，由于永磁同步电机具有功率密度大、运行效率高、转子损耗小等优点，被广泛用于电动汽车的驱动。对永磁同步电机的控制需要对三相电流进行Park变换，因此 ，电机转子位置的精确性对于永磁同步电机的控制极其重要，传统的获取转子位置的方法收稿 日期：2012-12-28作者简介：栾 捷(1987-)，男，浙江舟山人，主要从事永磁同步电机驱动方面的研究.E-mail：luanjie###zju.edu.cn通信联系人：陈阳生，男，教授，博士生导师.E-mail：yschen###zju.edu.cn第5期 栾 捷，等：基于低分辨率位置传感器的电动汽车用轮毂电机的控制 ·525·是通过光电编码器，旋转变压器等高分辨率位置传感器来实现的，但这些方法都增加了永磁同步电机的成本，增大了电机转动惯量 ]，同时在如电动汽车等震动、高温、潮湿的环境下，其可靠性亦容易受到影响，从而影响了永磁同步电机的使用范围。

基于低分辨率位置传感器的方案成为-种兼顾成本与性能的选择。低分辨率位置传感器常用霍尔元件，具有成本低、体积孝可靠性高的优点b 。但其输出的分辨率低，只能提供6个离散位置信号，也就只能得到6个准确的转子位置，无法满足对于电机转子位置精确定位的要求。因此，通过对于低分辨率位置传感器信号进行分析和处理，以实现精确计算电机转子位置，得到与高分辨率位置传感器类似的速度与位置信号，已成为低分辨率位置传感器估算转子位置技术的关键。同时，由于电动汽车轮毂电机为了提高输出转矩，所使用的永磁同步电机极对数很大，对霍尔传感器的安装精度要求极高，很可能会出现霍尔位置传感器安装偏差的问题 ，对此 ，研究者必须采取相应措施进行校正，以提高估算精度，减小误差。

本研究主要探讨基于低分率位置传感器的电动汽车用轮毂电机的控制。

1 驱动系统软、硬件设计本研究所设计的电机控制系统主要由信号调理电路、霍尔电流传感器、霍尔位置传感器、开关电源、驱动电路、CAN总线通信接口以及永磁同步电机组成。轮毂电机控制系统框图如图1所示。

整个系统体积小，结构简单，适应在汽车等空间有限而且震动剧烈的诚使用；同时，整套系统具有控制灵活、反应灵敏、效率高等特点。

图 1 轮毂电机控制系统框图1.1 系统硬件设计控制系统的核心采用TI公司的TMS320F28035芯片，拥有eCAN，ePWM等多种功能强大的外设，可以灵活实现对电机的控制、采样和驱动。首先开关电源从母线经过变压器输出5 V和12 V的直流电源为整个系统供电，霍尔电流和位置传感器把A相、B相母线电流和转子位置区间经过信号调理分压和滤波，输入到DSP的AD管脚及GPIO管脚，芯片内部程序将会把这些采集到的信息进行处理，计算出转子位置，角速度以及解耦的电流值厶与厶。在程序中系统能够根据通过CAN网络收到的给定转矩以及反馈量，采用SVP-WM算法，输出6路占空比变化的PWM信号，输出信号经过放大、滤波，控制驱动板上MOSFET的开闭，控制电机三相电流，从而实现对于轮毂电机的驱动。

同时，系统还在硬件和软件的层面上分别进行了过流、过压和欠压保护，以实现系统的安全和保护。

1.2 驱动软件设计电机控制相关的子程序包括电流采样、Clark变换、Park变换、位置检测和转速计算，转速PI和电流PI调节，以及Park逆变换和SVPWM等环节。

图2 永磁同步电机控制策略图2 低分辨率位置传感器算法的研究2.1低分辨率位置传感器测速方法如上文所述，电机的转速和转子位置是通过3个位置霍尔传感器发出的信号进行计算的，其具体实现方式是通过在电机相差120。电角度的位置安装3个位置霍尔传感器，当电机旋转时，霍尔元件会输出与转子磁场强度正负相对应的高电平与低电平，其导通角为180o，三相霍尔输出的方波信号通过GPIO口输入DSP，-共可产生8种状态，除去2个零向量，其余6个组合分别代表6个位置区间，彼此电角度相差60。。

通过对三相霍尔信号的检测，就可以实时得出电机转子所在的区间，而通过对电机转子转过-定区间的时间的计算，就可以用T法计算出电机的转速 。

其计算公式如下：· 526· 机 电 工 程 第30卷270。33 3oo 90 15oo 21oo 270。33风l l I I I I lI lIII I101 l0o ll0 Ol0 Ol1 0o1 101图3 三相位置霍尔信号互cIJ 3引入加速度分量的-阶转子位置估算方法示意图如图5所示。

2 l t挂王蓝进直自图5 引入加速度分量的-阶转子位置估算方法示意图(1) 其中，加速度的计算公式为：2.2 低分辨率位置传感器估算转子位置方法目前，利用低分辨率传感器计算电机转子位置的方法的基本思想是：根据电机机械时间常数远远大于电气时间常数的特点，认为电机在单个位置区间的转速是均匀的，因此可以利用上-个区间的平均速度计算当前区间的电角度 ]，并且在霍尔信号变化时，对转子位置进行强制校正以避免累积误差。

l l t t l茎三萱堂查塑图4 转子位置估算方法示意图其计算公式如下所示：3 (2)00f09 △ (3)0 ≤ ≤0 (4)式中：∞ -在第 i-1区间内的平均速度；t -在进人i区间的时刻；0；，0 -两区间的边界角，即强制校正角；AT-转子在区间的运动时间。

当电机运行在稳定区，且电机速度也稳定时，研究者通过这种方法可以精确地计算出当前的转子位置。但在电机起动加速，或者电机转速发生突变时，上-区间的转速∞ 不能准确代替当前电机转速，可能会因此影响角度计算的精度 ]。

2.3 引入加速度分量的-阶转子位置估算方法针对在转速变化较快时转子位置计算误差过大的问题，为了改善电机控制的动态性能，本研究在上述方法的基础上，又提出了-种考虑电机加速度的计算方法 ]，其本质是：对转子位置表达式(3)进行泰勒级数展开，对电机速度 进行二阶求导得到-个加速度0。

- ㈥ - - 转速与转子位置计算公式如下：- 60 O；i 1AT (6)～ A，T20：0 .AT (7) Z0 ≤ ≤ (8)该方法引入了加速度的计算，即认为即使在同-区间内，速度也是变化的，能够在速度突变导致区间速度给定不准的情况下予以补偿，从而减小了位置估算误差，提高了角度的计算精度 。但同时，阶数的提高必然导致算法的复杂化以及计算量的增大，因此，更高阶数的算法没有实际使用意义。

2.4 -种改进的估算转子位置方法在上-种方法中，对于∞ 的估算是在上-区间的平均值∞ 的基础上作加速计算的，而实际上，由于加速度 。的引入，对于2.3节所述算法，笔者又提出了-种改进方法，即可以用本区间开始瞬间的转速 ∞ 来代替上-区间平均转速 ，以进-步减衅算误差n 。

2 ti l tj ，. 整王煎堂直包图6 使用改进方法估算转子位置示意图改进后的计算公式如下：，(-OiO (-Oi l (9)cEJ c0口 1△ (10)： 。AT! 兰 (11)0 ≤ ≤0 (12)2.5 对于多区间计算平均速度的讨论由于本研究所讨论的轮毂电机极对数高'达23对，. . --，-- ∞j； . -. . --- - 。

第5期 栾 捷，等：基于低分辨率位置传感器的电动汽车用轮毂电机的控制 ·527 ·即机械角度相差 相当于电角度的23 ，因此，对于三相霍尔位置传感器的安装精度要求非常高。由于安装工艺导致的精度问题，可能会造成三相霍尔之间位置不对称的情况出现，此时3个霍尔信号所对应的电角度之间相隔不为，r/3。当B相霍尔传感器安装偏差 △ 时，区间100与区间O11宽度变为 "r/3A0，而与之相对 ，区间 ll0与区间001宽度则变为 ，r/3-△ ，而当多相相轴安装出现偏差时，情况更加复杂。具体情况(即-相霍尔位置传感器安装偏差对霍尔区间的影响)如图7所示。

010 ，/ 00l， 、 图7 -相霍尔位置传感器安装偏差对霍尔区间的影响图7中，此时研究者如果仍然按照上述方法进行计算，可以导致电机转速计算的误差，针对该问题可以使用计算多区间平均速度的方式来改善电机转速的精度。同时，在换相角度校正上由强制校正角度改为渐进校正角度的方式，以改善转子位置估算的精度。

多区间平均速度的基本方法为：假定在i-1区间的平均速度 ∞ 为过去Ⅳ个区间的平均速度，并且在计算电角度方法同2.3节中阐述的方法相同。

： Secmri-3 1 Stori-2 0 Sectori-1 1 Sectori I ：三： ： ：芏： ：二笙：主： 8. 0n On a o 8 .1H∞ ∞I-∞ l .： f -越 图8 多区间平均测速示意图相应的第i-1区间的转速计算式为：瓦 Ⅳ詈候，在低速区和速度变化较大的时刻，则不适用。因此，本研究在转子高速运转时选择N6，以追求稳态计算精度，而在转子起动和低速运转时选择NI，以追求动态响应速度。同时，为避免在两种方式临界转速附近来回切换导致电机响应变慢甚至停转，本研究在程序上设置了-个速度滞环环节。

2.6 对于换相时转子位置校正方式的讨论由于速度计算误差或者转子位置计算分辨率过低等原因，当换相时，可能会发生估算角度 不等于校正角 0 的情况，如果对转子位置进行强制校正，可能出现角度发生突变的情况。

此外，该偏差可能是由于三相霍尔位置传感器安装位置的偏差导致的换相角本身存在偏差，如果强制校正可能会进-步加大转子角度位置的误差。

转子位置突变的情况会导致电机运行中电流的扰动，因此，本研究提出了-种线性角度校正的方式进行校正，以取代强制校正。其思想是：在换相瞬间不强制校正转子位置，而是计算出估算的转子位置 与校正点角度 0 的差值 A0，同时，假定电机转子在两个区间内经过的时间是相同的，从而在下-个区间内均匀地补偿回去，以实现转子位置的连贯，避免累积误差的产生。

采用两种校正方式(强制校正与线性校正)时的转子位置变化如图9所示。

删 /△区间il/ 问f.1删(a)强制校正 (b)线性校正图9 强制校正与线性校正的转子位置变化图中：A00 -0 (14) △ 十丁aiIAT2 (15)(13) 2.7 对于校正霍尔位置偏差的措施的讨论其中，由于转子磁钢的安装精度较高，当Ⅳ取值为6时，式(13)计算的转子转过电角度等于2订，在此情况下，可以最大限度地减小由于三相霍尔位置传感器安装偏差导致的测速误差，以提高计算精度。但由于这种方法的本质是对速度的计算进行-个滑动滤波，用于本区间计算的速度实际上是前Ⅳ个区间的平均速度，并且Ⅳ值越大，滤波越明显，会导致速度实时性较差，动态性能较低，仅适用于高速稳态运行的时研究者通过前面介绍的在换相时采用线性过渡的方式 ，可以有效地消除由于霍尔位置偏差造成的转子位置阶跃的情况，而对由于霍尔位置传感器安装误差本身而造成的转子位置误差却不能完全消除，因此，为了消除该误差，必须对霍尔六区间边界的准确位置分别进行校正。

对于霍尔区间边界校正也可以通过人工校正(即手动修正每条边界所对应的转子位置)来实现，但由于每台电机霍尔位置传感器的安装偏差不同，本研究第5期 栾 捷，等：基于低分辨率位置传感器的电动汽车用轮毂电机的控制由此可见 ，在电机低速运行状态下 ，采用-阶角度算法比零阶算法精度更高、误差更校电机三相霍尔位置传感器安装出现偏差时，本研究采用强制校正角度方式的转子位置波形及其误差如图16、图17所示。

lO l5 20 25 30 35 40 45 5o 55t/ms强制校正角度时转子位置0 5 l0 l5 20 25 30 35 柏 45 50t/ms图 17 强制校正角度时转子位置误差由图16、图17可见，由于三相霍尔安装位置偏差，强制校正转子位置会导致区间切换时转子位置发生突变，转子位置误差也处在波动中，这对于电饥的平稳运行是不利的。

与之相比，采用线性校正时的转子位置误差显示如图18所示。由此可见，采用这种方法可以有效消除转子位置的突变，并在-定程度上减小转子误差。

喜0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50l/ms图18 线性校正角度时转子位置误差本研究采用边界校正角自动修正后，并使用线性角度校正后的计算误差，边界校正角自动补偿后的转子位置误差如图l9所示。

0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l0t/ms图19 边界校正角自动补偿后的转子位置误差由图18、图19可见，当同时使用线性角度校正与校正角自动补偿后，已经基本消除了由于霍尔位置传感器安装位置偏差造成的转子位置测量误差，可以有效地提高其估算精度。

4 结 束语为了提高低分辨率位置传感器电机系统中的转子位置和转速估算精度，本研究提出了线性转子位置校正的方法以及自动边界位置补偿法。通过上述讨论与实验可知：加人加速度计算的-阶转子位置估算方法比-般的零阶估算方法误差更小 ；同时，对于不同速度，研究者通过采取灵活的转子位置估算策略，如可变的计算平均速度区间，可以有效改善计算的精度；而对于三相霍尔位置传感器安装位置存在偏差的情况，线性校正角度的方式可以减星度突变，并在- 定程度上减小估算误差，而边界位置自动补偿则可以有效抑制偏差，提高估算精度，对于多级数电机，有很大的实用价值。

该算法可以使系统的动态和稳态性能获得改善，并且可为今后该算法在电动汽车上的应用打下良好的基矗