霍爾位置傳感器無刷直流電機起動控制策略

荀　倩，吳　勇，王培良，蔡志端

（1.湖州師范學院工學院，浙江 湖州 313000；2.英威騰電氣股份有限公司，江蘇　蘇州　215000）

霍爾位置傳感器無刷直流電機起動控制策略

荀倩1，吳勇2，王培良1，蔡志端1

（1.湖州師范學院工學院，浙江 湖州 313000；2.英威騰電氣股份有限公司，江蘇蘇州215000）

針對電機在低速起動或轉速特別低時霍爾輸出信號不穩定問題，結合方波控制出力大與矢量控制轉矩脈動和噪聲小的優點，研究基于霍爾位置傳感器的無刷直流電機方波與正弦波復合控制的電機驅動器。在分析霍爾估算原理的基礎上，對采用霍爾位置傳感器的無刷直流電機矢量控制的起動策略進行研究，分析對比方波控制與正弦波控制在不同負載轉矩時的起動性能。仿真與實驗表明：為確保電機的平穩起動，根據不同起動要求的場合，可以選擇正弦波直接起動和方波切換正弦波起動，該文研究的起動控制策略能有效拓寬無刷直流電機在低速大轉矩場合下的應用。

方波控制；矢量控制；霍爾位置傳感器；正弦波直接起動；方波切換正弦波起動

0　引言

無刷直流電機（BLDCM）具有結構簡單、調速范圍寬等優點［1］，廣泛應用于航空航天（雷達伺服、離心泵、舵機驅動、慣性導航設備等）、交通工具（純電動汽車、混合電動汽車、電動自行車等）、家用電器（冰箱、洗衣機、空調、風扇等）等領域［2］。

無刷直流電機通常采用方波控制，通過霍爾位置傳感器的輸出信號確定轉子位置，其控制簡單，出力大，但轉矩脈動和噪聲較大［3］，已不能滿足要求，為減小轉矩脈動和噪聲，已將矢量控制應用于無刷直流電機中［4-6］，而矢量控制在某些低速大扭矩場合會存在起動不成功的問題［7］，因此結合方波與矢量控制的優點，研究方波與正弦波復合控制的電機驅動器可得到具有出力大、轉矩脈動和噪聲小的控制策略。

文獻［8］針對BLDCM繞組線、霍爾輸出信號線與控制器的接法不匹配造成的電機出力小、轉矩脈動增加的問題，提出了一種電機轉子位置自學習策略，經過一次位置自學習，就可以正常運轉，解決了電機起動時的控制信號不匹配問題。文獻［9］對無刷直流電機采用方波驅動與正弦波驅動方式的轉矩-轉速、轉矩脈動性能進行了對比，得到了正弦波控制特性優于方波控制特性。文獻［10］對方波驅動與正弦波驅動模式的動態切換進行了研究，但其切換點是由外部按鍵進行控制，并未根據轉速或負載等原因造成起動不成功情況進行分析，不能進行自動切換，沒有分析不同負載條件下的起動性能。

本文在分析霍爾位置估算原理的基礎上，重點對無刷直流電機矢量控制的起動策略做出了詳細分析與研究，采用仿真與實驗對方波切換起動方式與直接正弦波起動方式的起動性能進行研究。

1　霍爾位置估算原理

基于霍爾位置傳感器的轉速和轉子位置估算方法建立在電機穩定運行且能夠準確獲取轉速、位置等信息的基礎之上。通常情況下，將3個霍爾元件安裝在空間相隔120°的圓周上，相對于每一相定子繞組超前30°或者90°電角度。以1對極電機為例，霍爾傳感器超前90°安裝的位置示意圖如圖1所示，a、b、c代表三相霍爾傳感器，OA、OB、OC構成的坐標系與三相定子繞組軸線對應，N、S為轉子。

轉子在旋轉時，霍爾位置傳感器根據其旋轉速度輸出頻率可變的矩形波。當轉子旋轉一周，產生的霍爾信號為三路相位相差120°電角度的180°脈寬的矩形波，一個360°的電角度周期被劃分為6個60°的霍爾區間，三相反電勢與霍爾信號的對應關系如圖2所示。eA、eB、eC為電機三相反電勢，Ha、Hb、Hc為三相霍爾信號，三相霍爾信號將360°電角度劃分的6個60°霍爾扇區分別對應霍爾扇區I、II、III、IV、V、VI。

圖1　三相霍爾安裝位置示意圖

圖2　三相霍爾信號與反電勢對應關系

可以得出霍爾狀態與區間的對應關系如表1所示。當電機連續運行時，由變化的霍爾信號狀態就可以判斷出電機轉子所處的旋轉方向和位置區間。假定逆時針方向為正向，若霍爾信號由110狀態轉換為010狀態，可以確定電機為正向旋轉，并且已經進入霍爾區間IV。

表1　霍爾狀態與區間對應關系

轉子的轉向和位置區間確定之后，就可以對轉子的具體位置信息進行估算。設某一相霍爾180°間隔的時間為Δt，則在此區間內電機的平均電角速度ωe為

設PWM周期為T，一個電角度周期為T1，在每個電角度周期內，轉子轉動2π rad，則可以計算出每個PWM周期的轉子角度變化量為2πT/T1，然后在每次控制算法執行時在上一次角度的基礎上對這個角度變化量進行積分，就可以實時估算出轉子位置角度θ。

2　起動控制策略

電機轉速很低時，由霍爾信號只能得到6個離散的轉子位置，采用位置估算方法計算得到的角度增量和轉速誤差較大，因此電機起動過程需要進行特殊處理。目前，應用最廣泛的BLDCM矢量控制起動方法［4］分為兩種：1）方波切換起動，起動之初采用兩兩導通六步換相，待電機加速到一定值后切換到根據估算位置同步的矢量控制；2）直接正弦波起動，起動開始階段即采用同步坐標矢量控制。

2.1方波切換起動方法

一般情況下，方波控制為兩兩導通控制方式，逆變器開關管采用上橋臂PWM、下橋臂恒通控制方式，同一時刻有兩個開關管處于導通狀態。而矢量控制為三三導通模式，同一時刻有3個開關管處于導通狀態，且同一橋臂的兩個開關管處于互補導通狀態。因此，必須考慮切換時開關管的導通狀態以及轉子位置才能實現方波與正弦波的動態切換。根據霍爾信號與轉子位置的對應關系可得方波控制與矢量控制時霍爾信號與開關管導通對應關系如表2所示。其中，“ON”表示上橋臂開關管導通，“OFF”表示關斷，“NC”表示該相橋臂不導通。

由表可知，切換時只需要某一相開關管的導通狀態發生變化。方波切換控制實現過程如下：切換過程完全通過軟件編程實現，電機起動時采用方波控制方式，當轉速達到某一設定值時切換為矢量控制方式。檢測到需要切換時，并不進行立即切換，而是等到霍爾信號發生跳變時進行，因為每次霍爾信號跳變，估計轉子位置會進行一次校準，這樣轉子位置誤差可降至最小。當速度再次小于穩定值時，重新切回方波控制，為避免切換時出現震蕩，切換控制過程采用滯環控制。

表2　霍爾信號與開關管導通關系

2.2正弦波直接起動方法

采用直接正弦波起動方法，在低速時通過60°分辨率的位置信號能夠獲得電機需要轉矩，相比于兩兩導通起動方式，轉矩脈動更小。

電機起動時，根據霍爾位置傳感器輸出信號得到起動初始位置，即轉子所在當前霍爾扇區的中間位置，角度誤差控制在±30°范圍內，然后根據給定轉速或電流信息，執行矢量控制算法，通過SVPWM調制計算出合成作用電壓矢量。由于霍爾位置傳感器輸出信號在起動過程中分辨率較低，起動開始的幾個霍爾扇區，電角度不進行實時更新，而是每隔60°電角度更新一次，當轉速大于一定閾值后，通過實時測得的位置信號更新當前電角度。

圖3　BLDCM雙閉環控制仿真框圖

3　仿真與實驗

本文搭建的仿真框圖如圖3所示。BLDCM的控制以id=0的矢量控制策略為主，而在電機起動時需要根據電機轉速的不同選擇不同的起動方式。若電機在低速大轉矩條件下起動，由于起動時需要的電磁轉矩較大，采用方波切換正弦波起動，起動時采用方波控制。當轉速大于設定閾值時，為保證切換的平穩性，根據計數霍爾周期切換到正弦波控制。正弦波控制轉速小于閾值時，判斷計數霍爾周期之后重新切換到方波控制。若電機在高速或輕載條件下起動，采用直接正弦波起動方式，以減小轉矩脈動。

3.1仿真驗證

對于反電動勢為正弦波的隱極式無刷直流電機，在矢量控制方式下，電磁轉矩Te和交軸電流iq成比例，通過控制交軸電流iq，就能有效控制轉矩波動。而在方波控制方式下，不可避免地產生換相轉矩脈動，且隨著負載增大而增大，影響系統整體控制性能。仿真時，不同負載條件對電機起動性能影響不明顯，因此，仿真中給定轉速500r/min，負載轉矩0.5N·m，轉速閾值為100 r/min。圖4為方波切換起動方式和直接起動方式下，A相電流和輸出電磁轉矩波形。

由圖可知，兩種起動方式都能夠實現控制系統正常起動運行。在低速情況下，利用霍爾位置傳感器估算的轉子位置誤差較大，直接起動過程平穩，電磁轉矩脈動較小，而方波驅動起動過程中電磁轉矩脈動較大。

圖4　不同起動方式A相電流與電磁轉矩

圖5　運行時相電流和電磁轉矩

圖5為穩定運行時矢量控制和方波控制相電流和電磁轉矩輸出波形。可以看出，反電動勢為正弦波時，方波控制和矢量控制相電流與相反電動勢同相位，此時可獲得最大電磁轉矩。方波控制時，相電流在換相時波動明顯，并且波動隨著負載轉矩的增加而增大，相電流波動引起轉矩脈動。

3.2實驗驗證

為驗證不同負載轉矩時的起動性能，分別對空載、滿載條件下的起動性能進行了測試，實驗結果如圖6、圖7所示。圖6為空載條件給定轉速為500r/min，轉速閾值設置為100 r/min（不同電機轉速切換閾值不同）在不同起動方式下A相電流波形。方波切換起動時電流波動較大，實際應用中，若電機空載，則直接起動方式為首選。

經實驗發現電機在滿載條件下轉速為500r/min時正弦波直接起動方式電機不能可靠起動，而方波切換正弦波方式電機可以平穩起動。圖7為滿載條件給定轉速為500r/min時，轉速閾值設置為100r/min時的方波切換正弦波起動波形。起動開始時采用方波控制，起動階段電機無抖動，電機起動后，立即檢測轉速信息，當速度達到切換閾值切換到正弦波控制。由于切換之前，軟件中仍然執行電角度和角速度計算，這樣保證了切換之后電角度估計值的準確性，切換過程平穩。方波控制時，由于采用兩兩導通六步換相控制，每時刻有兩個開關管導通，相電流為6步階梯波，矢量控制時，逆變器采用三三導通方式，每時刻有3個開關管導通，相電流為正弦波。

圖6　空載時不同起動方式下相電流波形

圖7　滿載時方波切換正弦波起動波形

4　結束語

本文在分析霍爾位置估算原理的基礎上，研究了基于霍爾位置傳感器的無刷直流電機方波與正弦波復合控制的電機驅動器，對無刷直流電機矢量控制的起動策略進行了研究，仿真和實驗表明在低速大轉矩條件下起動時，采用方波切換起動方式較合適，而在高速低轉矩條件下起動時，采用直接正弦波起動方式較合適。

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（編輯：李妮）

Starting control strategy of brushless DC motor based on Hall rotor position sensor

XUN Qian1，WU Yong2，WANG Peiliang1，CAI Zhiduan1
（1.School of Engineering，Huzhou University，Huzhou 313000，China；2.British Witten electric Limited by Share Ltd，Suzhou 215000，China）

To solve the problem of instability of Hall signal outputting when the motor is started at a low speed or operating at a very low speed，combining with the advantages of great output under square wave control and small torque ripple and low noise under vector control，a motor driver for square wave and sine wave controlled brushless DC motor based on Hall position sensor is designed.On the basis of analyzing the principle of Hall estimation，the starting strategy of vector control based brushless DC motor applying Hall position sensor is studied and the starting performances of square wave and sine wave controlled brushless DC motor under different load torques are compared.The simulation and experiment show that to ensure the starting stability of motor，direct sine wave starting and square wave and sine wave switching starting can be chosen according to the starting requirements under different circumstances.The starting control strategy researched in this paper has widely extended the application of brushless DC motor under lowspeed and high-torque conditions.

square wave control；vector control；Hall positon sensor；sine wave direct starting；square wave switching sine wave starting

A

1674-5124（2016）08-0118-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.024

2015-10-28；

2015-11-23

國家自然科學基金資助項目（61573137）

湖州市公益性技術應用研究計劃項目（2015GZ05）

荀倩（1990-），女，陜西漢中市人，碩士，專業方向為電機控制、電力電子與電力傳動。