霍爾傳感器在無刷直流電機(jī)上的應(yīng)用

劉吉超，李巴津，伍春生

(1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010000;2 江蘇浩峰汽車附件有限公司，江蘇常州213000)

0 引言

無刷直流電機(jī)(Brushless Direct Current Motor，以下簡稱BLDCM)具有轉(zhuǎn)矩輸出特性好、依靠電子換相、使用壽命長等優(yōu)點。BLDCM 的應(yīng)用主要體現(xiàn)在控制方面，目前其控制方式主要有基于傳感器控制方式以及無傳感器控制方式。由于無傳感器控制方式多處于研究和測試階段，實際工況測試還存在問題，因此多數(shù)BLDCM 控制系統(tǒng)中采用有傳感器的控制方式。該種控制方式易于實現(xiàn)，在實際應(yīng)用中性能相對穩(wěn)定。但是該種方式的輸出效率取決于傳感器安裝位置是否準(zhǔn)確。文獻(xiàn)［1］中提供了幾種常用的傳感器安裝方法，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)通過繞組計算獲得的安裝角度與實際測量值誤差比較大，直接安裝式需要憑經(jīng)驗調(diào)整霍爾傳感器位置，方法局限性比較大。因此提出了一種基于短時脈沖定位的霍爾傳感器安裝方法。實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該種方法易于實現(xiàn)，便于工程運用，并且安裝位置準(zhǔn)確。

2 方法原理

2.1 霍爾傳感器［2］工作原理

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理工作的，如圖1 所示。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這個電勢差也稱霍爾電勢差UH，見式(1)

式中，KH—霍爾靈敏度;I—是流過霍爾的電流;B—霍爾所處磁場的磁場強度。這樣當(dāng)霍爾處在N 極或者S 極的磁場中時就會產(chǎn)生兩個數(shù)值相同極性相反的UH。在霍爾的應(yīng)用中常把正值定義為數(shù)字量“1”，負(fù)值定義為數(shù)字量“0”，從而可以使霍爾在不同極性的磁場中輸出不同的數(shù)字量。在BLDCM 控制中，一般將霍爾器件固定在定子或者機(jī)殼上，讓其感應(yīng)面處于轉(zhuǎn)子的磁場中。由于轉(zhuǎn)子是N 極和S 極交替均勻排列的，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，處在交替變換磁場中的霍爾傳感器就會產(chǎn)生不同的數(shù)字量。基于霍爾傳感器控制的BLDCM 系統(tǒng)就是依靠這樣的原理對電機(jī)實施控制的。

圖1 霍爾傳感器工作原理

2.2 BLDCM 換相原理［3］

圖2 是電機(jī)本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通電狀態(tài)，電機(jī)一個電周期內(nèi)對應(yīng)的需要有6 次通電狀態(tài)。圖3 給出的是一個電周期轉(zhuǎn)子通電的矢量圖，按圖2 的通電順序，分別設(shè)電源母線電壓為Ubat，電機(jī)三相端電壓分別為UA、UB、UC，分別加在空間上相差120°的平面坐標(biāo)系上，又因為端電壓隨時間t 的改變而改變，因此定義端電壓空間矢量為UA(t)、UB(t)、UC(t)它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間t 按正弦規(guī)律變化，且時間相位相差120°，則假設(shè)相電壓有效值為Um，設(shè)f 為開關(guān)頻率，則有

圖2 電機(jī)本體和通電順序

圖3 電機(jī)換相矢量圖

這樣每次通電對應(yīng)一個位置，按照一定的順序通電，轉(zhuǎn)子就可以對應(yīng)圖3 中6 個位置，這個過程就是轉(zhuǎn)子換相。按照一定的時序給電周期性順序加電，電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動起來了。

2.3 短時脈沖定位原理［3-5］

短時脈沖定位原理來源于電機(jī)換相原理。如圖2、圖3 和圖4 所示，當(dāng)給電機(jī)三相按標(biāo)號1、2、3、4、5、6 情況通電時，依據(jù)式(2)、式(3)可知，電機(jī)會出現(xiàn)6 次動作。圖3 中的位置1、2、3、4、5、6對應(yīng)圖4 中的換相點A、B、C、D、E、F。當(dāng)給電機(jī)通MST1 到MST6 任意狀態(tài)的電，只要通電處和轉(zhuǎn)子的初始位置夾角不等于0°或180°，轉(zhuǎn)子就會停在相應(yīng)的位置區(qū)間內(nèi)。例如當(dāng)給電機(jī)按MST2 通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)子會停在60°到120°區(qū)間的任何一個位置上，圖4 標(biāo)記為a 點。如圖5 所示，以4 對極電機(jī)為例，轉(zhuǎn)子的電角度和機(jī)械角度的關(guān)系是θE/θM=4，其中θE是電角度，θM是機(jī)械角度，此時電角度360°對應(yīng)機(jī)械角度90°。這樣給電機(jī)一定的占空比值和執(zhí)行時間，按照電機(jī)電周期6 次通電順序后，電機(jī)轉(zhuǎn)子就可以在相應(yīng)區(qū)間位置停留，此時也稱短時脈沖定位。當(dāng)三個霍爾傳感器按照60°或者120°安裝時，6 個位置就會出現(xiàn)6 組霍爾信號組，每組由3 個霍爾信號組成。

圖4 一個電周期電機(jī)換相情況

圖5 短時脈沖定位原理

2.4 霍爾位置確定原理

依據(jù)短時脈沖定位原理，如圖4 所示。當(dāng)給電機(jī)按MST2 狀態(tài)通電時，轉(zhuǎn)子在電磁力作用下會被拉至60°到120°之間的任何一個位置，假如此時電機(jī)被拉至a 點處，霍爾傳感器會輸出一組霍爾信號。按照換相原理，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子在圖4 所示的換相點位置換相時電機(jī)的效率才是最高的，換相位置是最佳的。雖然此時電機(jī)按MST2 通電，但轉(zhuǎn)子的位置卻并非恰好在換相點A 處，而是存在一定的角度偏差，即α 和β。如果此時在a 點處進(jìn)行下一次換相，而不是在B 點處換相，電機(jī)就會出現(xiàn)換相超前。因此，雖然電機(jī)停在a 處，輸出一組霍爾信號，但是要對α 和β 進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。目前由于還沒有有效的方法計算這兩個值，因此首先確定a 點后，觀測相應(yīng)的霍爾信號，然后按照相反方向轉(zhuǎn)動霍爾位置，直至霍爾信號發(fā)生跳變，此時α 為0°，也就是α 點恰好和換相點A 重合;β 為60°，也就是距離下一次換相點B滯后60°。此時與a 點對應(yīng)的霍爾信號就是換相點A 對應(yīng)的霍爾信號，且α 為0°時的霍爾傳感器位置就是霍爾傳感器的安裝位置。

3 實現(xiàn)過程

硬件原理圖如圖6、圖7 及圖8 所示，以5 對極轉(zhuǎn)子為例確定霍爾位置。雖然霍爾信號是周期性變化的，但是如果霍爾傳感器安裝位置不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致?lián)Q相提前或滯后，嚴(yán)重影響電機(jī)的輸出效率。下面詳細(xì)介紹本方法的實現(xiàn)過程，按照表1 通電順序給電機(jī)通電，執(zhí)行占空比選擇0.1，執(zhí)行時間為5ms。短時脈沖流程見圖9。

表1 電機(jī)三相通電順序

圖6 霍爾傳感器電路

圖7 電源供電電路

圖8 系統(tǒng)控制電路

圖9 短時脈沖流程圖

實現(xiàn)步驟如下:

(1)首先按照圖9 的短時脈沖算法，按照給定的占空比和執(zhí)行時間，執(zhí)行0°～60°的通電順序，若電機(jī)不轉(zhuǎn)，則稍微轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到指定位置停止，此時標(biāo)記為位置1。

(2)按照這樣的方法執(zhí)行下面5 個區(qū)間的通電順序，標(biāo)記為位置2、3、4、5、6。

(3)計算3 個霍爾傳感器的相對安裝角度，霍爾傳感器可以按照60°電角度間隔也可以按照120°電角度間隔;若選擇前者，則實際霍爾安裝相對角度為60°/5=12°;若選擇后者，則實際霍爾安裝相對角度為120°/5=24°。

(4)將固定好相對角度的霍爾傳感器放置于磁場中，將轉(zhuǎn)子定于第1 個位置處，此時測試得到一組霍爾信號，然后稍微向相反方向轉(zhuǎn)動霍爾傳感器，直至位置1 處的霍爾信號出現(xiàn)跳變?yōu)橹梗藭r霍爾傳感器的位置為換相點處，固定此時霍爾傳感器的位置，此位置就為霍爾傳感器的安裝位置。

(5)固定好霍爾傳感器后，按位置1、2、3、4、5、6 的旋轉(zhuǎn)順序觀測霍爾信號的變化，記錄相應(yīng)位置的霍爾信號，此信號即為6 次換相時的霍爾信號。

4 試驗結(jié)果分析

霍爾傳感器之間角度選擇60°電角度，這樣實際在安裝的過程中三個霍爾之間機(jī)械角度相差12°，DSP 芯片PWM 模塊為8 位，最大占空比255，執(zhí)行下面的程序。

executePositioning(STATE_x，dc，t);//執(zhí)行狀態(tài)x，占空比為dc，執(zhí)行時間t

其中，執(zhí)行函數(shù)為

void executePositioning(int mst)

{

MDC =25; //設(shè)置PWM 定位執(zhí)行占空比25/255

switch(mst)

{

case MOTOR_STATE_1:

IOCON3 =0xC000;//A 相高電平

IOCON2 =0xC380;//B 相低電平

IOCON1 =0xC300;//C 相懸空端

break;

case MOTOR_STATE_2:

IOCON3 =0xC380;//A 相高電平

IOCON2 =0xC300;//B 相懸空端

IOCON1 =0xC000;//C 相低電平

break;

case MOTOR_STATE_3:

IOCON3 =0xC380;//A 相懸空端

IOCON2 =0xC000;//B 相高電平

IOCON1 =0xC300;//C 相低電平

break;

case MOTOR_STATE_4:

IOCON3 =0xC300;//A 相低電平

IOCON2 =0xC000;//B 相高電平

IOCON1 =0xC380;//C 相懸空端

break;

case MOTOR_STATE_5:

IOCON3 =0xC000;//A 相低電平

IOCON2 =0xC300;//B 相懸空端

IOCON1 =0xC380;//C 相高電平

break;

case MOTOR_STATE_6:

IOCON3 =0xC000;//A 相懸空端

IOCON2 =0xC380;//B 相低電平

IOCON1 =0xC300;//C 相高電平

break;

}

Delayns_rotorposition(5000);//轉(zhuǎn)子定位的必要延時}

這樣測得的霍爾信號如圖10 所示。

圖10 一個電周期霍爾信號

由于三個霍爾之間采用60°電角度隔開，因此理論上8 組信號只有6 組為有效信號。從圖中看出，當(dāng)一個電周期完成后，下一個階段又從011信號開始。

通過上述的霍爾信號做成換相表，給電機(jī)通電，測得的三相反電動勢如圖11 所示。從圖中看出，雖然此時霍爾信號對應(yīng)的換相順序是對的，但是換相點并不是霍爾信號的跳變點，也就說霍爾位置此時不是最佳位置，每一個狀態(tài)都存在提前換相，影響電機(jī)的效率。按上述方法對霍爾傳感器位置進(jìn)行相應(yīng)的修正后，得到圖12 的波形。從圖中可以看出三相的反電動勢波形得到了很大程度的修正，并且霍爾信號的跳變點恰好在換相位置，從而證明此種方法可以有效地實現(xiàn)霍爾傳感器位置的準(zhǔn)確安裝。

圖11 電機(jī)反電動勢波形

圖12 修正后的反電動勢波形

5 結(jié)語

通過以上理論分析和實驗數(shù)據(jù)表明，短時脈沖定位法可以有效地得出霍爾信號，并且可以根據(jù)位置信息得到霍爾的準(zhǔn)確安裝位置。方法實現(xiàn)過程簡單，易于工程應(yīng)用，可以為基于霍爾傳感器控制的BLDCM 系統(tǒng)提供一種有效的尋找霍爾位置的途徑。

［1］ 黃海.永磁無刷直流電機(jī)霍爾位置傳感器的安裝.船電技術(shù)［J］，2009，09.

［2］ 張瑋，張鳳登.基于霍爾傳感器的車載電動機(jī)實時處理系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，03.［3］ 劉吉超，李巴津，葉文偉，等.新型汽車空調(diào)用無刷直流鼓風(fēng)機(jī)控制算法設(shè)計.微電機(jī)，2013，02.

［4］ 林明耀，劉文勇，周谷慶.無位置傳感器無刷直流電機(jī)短時脈沖定位加速方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，09.

［5］ Hang Yenchuan，Tzou Yingyu.A new sensorless starting method for brushless DC motors without reversing rotation［C］. Power Electronics Specialists Conference，Orlando，USA，2007:619-624.

［6］ Kim T，Lee H W，Ehsani M. Position sensorless brushless DC motor/generator drives:review and future trends［J］. IET Electric Power Applications，2007，1(7):557-564.