Enhanced SFTF-Based Speed And Rotor Position Detection Method For PMSM With Bipolar Hall-Effect Sensors

Yıl 2025, Cilt: 12 Sayı: 27, 498 - 506, 24.12.2025

Fehmi Sevilmiş

https://doi.org/10.54365/adyumbd.1764654

Öz

Bipolar Hall-effect sensors are commonly employed in permanent magnet synchronous motors (PMSM) to provide accurate speed and rotor position information. In PMSM control, the rotor position obtained from Bipolar Hall-effect sensors must be a continuous signal to ensure precise commutation and minimize the torque ripples. Among various approaches, filter-based methods are widely used thanks to their robustness against motor parameter variations. In this paper, an enhanced synchronous frequency tracking filter (SFTF)-based method is proposed to improve the motor performance, in which a synchronous reference frame-phase locked loop (SRF-PLL) with adaptive complex bandpass filter is used instead of arctangent function for speed and position estimation. The proposed method is evaluated under both steady-state and transient operating conditions and compared with standard SFTF-based method. The results show that the proposed method significantly improves position estimation accuracy, reduces speed fluctuations, and enhances overall system stability and efficiency, establishing it as a reliable and effective solution for advanced PMSM control applications.

Anahtar Kelimeler

Bipolar Hall-effect sensor , Permanent magnet synchronous motor , PMSM , Synchronous frequency tracking filter

Çift Kutuplu Hall-Etkili Sensörlü PMSM İçin Gelişmiş SFTF-Tabanlı Hız Ve Rotor Konum Tespit Yöntemi

Öz

Çift kutuplu Hall-etkili sensörler, sürekli mıknatıslı senkron motorlarda (PMSM) doğru hız ve rotor konumu bilgisi sağlamak için yaygın olarak kullanılır. PMSM kontrolünde, çift kutuplu Hall-etkili sensörlerinden elde edilen rotor konumu, hassas komütasyon sağlamak ve tork dalgalanmalarını en aza indirmek için sürekli bir sinyal olmalıdır. Çeşitli yaklaşımlar arasında, motor parametre değişikliklerine karşı sağlamlıkları nedeniyle filtre tabanlı yöntemler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makalede, motor performansını iyileştirmek için geliştirilmiş bir senkron frekans izleme filtresi (SFTF)-tabanlı yöntem önerilmektedir. Bu yöntemde, hız ve konum tahmini için arctanjant fonksiyonu yerine uyarlanabilir karmaşık bant geçiren filtreye sahip senkron referans çerçeve-faz kilitleme döngüsü (SRF-PLL) kullanılmaktadır. Önerilen yöntem, hem kararlı durum hem de geçici çalışma koşulları altında değerlendirilmiş ve standart SFTF tabanlı yöntemle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, önerilen yöntemin konum tahmin doğruluğunu önemli ölçüde artırdığını, hız dalgalanmalarını azalttığını ve genel sistem kararlılığını ve verimliliğini artırdığını göstermektedir. Bu da yöntemi gelişmiş PMSM kontrol uygulamaları için güvenilir ve etkili bir çözüm haline getirmektedir.

Anahtar Kelimeler

Çift kutuplu Hall-etkili sensör , Sabit mıknatıslı senkron motor , PMSM , Senkron frekans izleme filtresi

Kaynakça

• Li W, Zhang Y, Zhu L. An improved rotor position and speed estimation method for PMSM with Hall sensors. Processes 2024; 12: 1–17.
• Akrami M, Jamshidpour E, Baghli L, Frick V. Application of low-resolution Hall position sensor in control and position estimation of PMSM—A review. Energies 2024; 17: 1–20.
• Wang G, Valla M, Solsona J. Position sensorless permanent magnet synchronous machine drives—A review. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2020; 67(7): 5830–5842.
• Xin ZZ, Wang JJ, Zhao HJ. Rotor position estimation using harmonic-decomposition complex-coefficient filter-based PLL for PMSM with switch Hall-effect sensors. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 2024; 12(2): 2249–2259.
• Ebadpour M, Amiri, N, Jatskevich J. Fast fault-tolerant control for improved dynamic performance of hall-sensor-controlled brushless dc motor drives. IEEE Transactions on Power Electronics 2021; 36(12): 14051–14061.
• Miguel-Espinar C, Heredero-Peris D, Igor-Gross G, LlonchMasachs M, Montesinos-Miracle D. Accurate angle representation from misplaced hall-effect switch sensors for low-cost electric vehicle applications. IEEE Transactions on Industry Applications 2022; 58(4): 5227–5237.
• Goswami A, Sreejeth M, Singh M. Investigation and mitigation of unbalanced hall sensor signal faults in sensored brushless DC motor drives. Electrical Engineering 2024: 106(4): 4835–4850.
• Xu X, Huang X, Hu Q, Li Z. An improved rotor position estimation method for spmsm with misaligned hall-effect sensor. IEEE Transactions on Transportation Electrification 2024; 10(1): 735–743.
• Dang K, Li W, Chen W, Wang G. An SOGI-based cross-coupled filtering method for speed and position estimation in low-cost PMSM drives using hall-effect sensors. IEEE Transactions on Power Electronics 2025 (Early Access).
• Akrami M, Jamshidpour E, Frick V. Application of Hall position sensor in control and position estimation of PMSM - A review. In: IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe), Madrid, Spain;2023.
• Liu G, Chen B, Song X. High-precision speed and position estimation based on Hall vector frequency tracking for PMSM with bipolar Hall-effect sensors. IEEE Sensors Journal 2019; 19(6): 2347–2355.
• Liu K, Wang Y, Hua W. An improved synchronous frequency extractors PLL with low computational burden. In: IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Detroit, MI, USA; 2022.
• Golestan S, Guerrero JM. Conventional synchronous reference frame phase-locked loop is an adaptive complex filter. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2015; 62(3): 1679–1682.