永磁同步电机力矩控制（三）：关于电机位置信号
电机位置信号的重要性
在永磁同步电机FOC控制算法中，需要用到一个非常重要的物理量是电机的位置信号。
这个位置信号到底有多重要呢？还是用数据来说话吧。笔者搭建了一个电机的电流环仿真模型，固定电机转速的情况下，给定电机3.2Nm的控制指令，分三种工况进行仿真：
工况1：转子信号正常（下图绿线）
工况2：转子信号上叠加30度的偏置（下图蓝线）
工况3：转子信号上叠加±7度的高斯随机白噪声（下图红线）
从仿真结果来看，工况2电机输出力矩不足且存在与转子位置相关的固有波动；工况3存在一定程度的扭矩纹波。由此，该信号的重要性可见一斑。
电机位置信号的种类
目前在汽车领域的电机里用得比较多的电机位置信号传感器有两种类型：
（1） 内外磁环+Hall芯片
这种方案会在电机端部与转子同轴处安装一磁环板，板上充有内磁环和外传两部分，同时在磁环附近安装有一PCB，PCB上安装有三个单线性hall芯片输出Hall_A,B,C信号和一个双线性Hall芯片输出Hall_Q1,Q2信号。
内磁环上分布与电机极对数相等均匀分布的N-S磁极，分别依次以120度相位差被三个单hall芯片感应。因而，对这三片hall芯片在PCB版上的排列要求就是这三个芯片应该在【0 360/极对数】范围内均匀分布。
外磁环上分布了若干N-S磁极（比较典型的数字是72,80），随着转子的转动N_S磁极每经过双Hall芯片下方一次，芯片感应输出一组正交90度变化的HallQ1_Q2信号。
比较典型的Hall信号与电机反电势的关系见下图：
一般来说用五路信号足以得到电机绝对位置，并且他们之间具备相互冗余校验的功能。但是在一些要求比较高的场合，可能会用到7路hall信号。
（2） 旋转变压器
旋转变压器的定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压；转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。其工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化。
其典型的信号特征如下：
除此之外，近些年来磁阻型的位置信号传感风头正劲，大有抢班夺权之势。
电机位置信号的应用
Hall信号的一般经过一个简单的整形电路以后直接接入单片机的比较捕捉单元就可以被单片机进行解码，某些单片机甚至有专门的Hall信号正交编码单元由硬件实现对HallQ信号的解码；而旋变信号则需要专用的解码芯片（该专用解码芯片一般来说是指RDC resolver芯片，现在做的最好的就是美国的ADI和日本多摩川两家，但也不绝对，比如某日本厂商采用的就是一片运算单元功能强大但外设很少的MCU）。
针对Hall型的位置信号传感器，其信号的分辨率先天就比较低，因此一般还需要根据Raw Angle Value综合电机速度信号，开发一定的估计算法来获取更精确的电机角度；
另外Hall元器件天生的磁滞效应会导致在正反转切换的过程中存在一定的角度误差，因此在做控制算法的时候要用ABC的信号实时对根据Q1Q2解析到的值进行校正；
针对旋变类型的位置信号，其励磁信号由ECU提供，对励磁信号的正弦度（傅里叶展开后的基波分量）要求比较高，否则的话，RDC芯片比较容易报信号失配故障。
软件处理
a.位置信号在FOC中至少要用到两次（Park_Clark变换极其逆变换），因此建议在每次需要用到位置信号的时候都去重新获取一次位置信号
b.Hall方案的位置信号解码，其软件中断服务程序优先级应设为最高且不可被打断，防止中断嵌套的情况下漏计数，中断服务程序本身应尽可能的消耗最短的CPU时间
c.使用RDC resolver的，角度有多种获取方式（SPI、并口、ABZ正交编码），SPI不被推荐，因为通讯延时所带来的角度误差要大于其它两种方式
d.电机高转速情况下，角度信号的补偿非常重要。
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