基于霍爾位置傳感器的永磁同步電機方波啟動問題研究

鐘逸飛，孔武斌，易 磊，曲榮海

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基于霍爾位置傳感器的永磁同步電機方波啟動問題研究

鐘逸飛，孔武斌，易 磊，曲榮海

（華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

針對基于霍爾位置傳感器的永磁同步電機啟動不穩定的情況，本文提出了永磁同步電機180°方波電流啟動，高速后切換到正弦波電流方法。以STM32F103為核心主控芯片，搭建硬件系統和軟件算法，實驗結果表明本控制策略能夠實現滿載啟動和加速過程，電機運行平穩。

永磁同步電機 霍爾位置傳感器 方波啟動

0 引言

永磁同步電動機具有質量輕、結構較簡單、體積小、特性好、功率密度大等優點，在各種高性能場合的應用日益廣泛[1]。相對于無刷直流電機的方波控制，永磁同步正弦電流驅動產生的轉矩波動小，效率高。精確的位置信號對于正弦波驅動特別重要，然而光電編碼器、磁編碼器等精確度越高的位置傳感器成本越高，而成本更低的無位置傳感器法算法復雜，位置檢測精度不高，帶載啟動困難。因此使用兼顧成本低、體積小的霍爾位置傳感器，再加上位置估算算法是一個很好的方案。

霍爾位置傳感器，每個電周期只能提供6個離散的轉子位置信號，不能直接滿足正弦波驅動的要求。采用角度細分的位置估算方法，在起動階段，由于速度偏低，計數器有可能溢出，因此估算將很不準確，甚至出現不能啟動的狀況。

本文提出的永磁同步電機啟動時采用180°電流驅動方式，待電機轉速上升到一定程度再切入正弦電流驅動的方法，既降低了成本，又解決了啟動和低速運行的問題。

1 轉子位置估算方法

圖1三相霍爾安裝位置示意圖

在軟件程序設計中，會將三路霍爾信號異或，異或后的霍爾信號如圖2所示。其每個上升沿和下降沿時刻都會觸發定時器中斷，在每個中斷里面會計算轉過60°電角度定時器產生多少個脈沖，由此計算出經過一個扇區的時間。霍爾信號上下沿觸發中斷服務子程序包括讀取霍爾信號判斷電機轉子所在的扇區、位置估算、位置校正等。

位置估算原理如圖3所示。

為扇區內平均速度，和分別為扇區、所用時間，為采樣周期，為采樣次數，，，分別為低分辨率位置信號。因此根據公式（2）可以估算出電機運轉時轉子的精確位置。

圖3 轉子位置估算算法示意圖

2 啟動方法

由于位置的估計是建立在對離散霍爾時間間隔的計算，在復雜工況下，尤其是在起動階段, 由于速度偏低，計數器有可能溢出，因此估算將很不準確[2]。如果我們再根據前一60°電角度轉過的速度來計算當前位置信號，則很難正確地反映當前的轉子位置，在某些低速大扭矩場合會存在起動不成功的問題[3]，因而有必要在起動階段采用方波啟動的方式。

方波啟動包括兩種：120°和180°電流驅動方式。其中180°電流驅動方式諧波含量小，轉矩脈動小因而電機噪聲小。而120°電流驅動方式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[4]

圖4 方波電流啟動方式

圖a為120°電流驅動方式，二二導通方式，兩兩導通是指任意時刻電機兩相導通，第三相懸空。一個電周期有 6 種導通狀態，每個狀態中只有兩個開關管導通，每 60°完成一次換相,換相點在反電勢平頂處,每個開關管導通 120°。

本文采用圖b所示的180°電流驅動方式，三三導通方式，三三導通是指任意時刻電機三相均導通，同兩兩導通相比，也是每60°完成一次換相，也有6種導通狀態。但每個狀態任意時刻有三個開關管導通，每個開關管導通時間為180°，換相點在反電勢過零點[5]。根據霍爾元件檢測到轉子所在的扇區，啟動時默認轉子位置在扇區的中線上，所以啟動轉子誤差最大為±30°。在電機定子繞組中通入電流使得產生的定子磁場超前轉子位置 120°電角度，這樣的磁場持續導通轉子掃過60°電角度的時間。即當下一次霍爾變化時，才將磁場方向再提前 60°，電角度每隔60°更新一次，使得定子磁場與轉子磁場夾角在60°到120°范圍中變化，根據離散角度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，因而保證電機平穩運行。

當電機達到一定轉速時，這時轉子位置可以連續較為準確地估算出來, 從180°電流驅動方式切換為正弦電流矢量控制，從而較好解決了低速起動脈動很大，甚至失步的問題。

3 驅動系統設計

本研究所設計的電機控制系統框圖如圖5所示，有蓄電池、三相全橋逆變電路、永磁同步電機、驅動電路、信號調理電路、霍爾位置傳感器、霍爾電流傳感器組成。同時控制系統核心選擇 STM32F103芯片，整個驅動電路簡潔明了。

圖5 永磁同步電機控制系統框圖

4 實驗結論

本文對一臺裝有三相霍爾位置傳感器的永磁同步電機進行實驗，電機主要參數為：額定功率2.8 kW，額定電壓60 V，額定轉速2500 rpm，額定轉矩10.7 Nm，極對數為4，轉速150 rpm設為切換點。控制器開關頻率為10 kHz。控制器和電機測試平臺如圖8所示。

圖6 永磁同步電機控制策略圖

圖7 軟件控制流程圖

圖9為用一臺伺服電機拖動實驗所用永磁同步電機得到的反電勢和霍爾位置信號。說明實驗所用電機霍爾位置傳感器安裝位置與本文轉子位置估算理論部分描述一致。

圖10為采用i=0的控制方式控制實驗電機的啟動過程中的電流波形、位置信息、霍爾信號。定子電流i指令由外部油門踏板給定，電機負載5 Nm。圖中啟動電流為180°導通模式，當轉速較高后切換至正弦波電流驅動。啟動過程轉子位置信號從離散的信號切換到連續信號，實現了低速到高速的平緩切換。而角度位置信號與和霍爾信號Hcba相對應，當轉子逆時針方向旋轉，每個電周期隨著轉子從0°轉到360°，霍爾信號Hcba會依照3-2-6-4-5-1變化，順時針相反。

圖11為帶額定負載11 Nm啟動的電流波形與位置信號波形。啟動正常，啟動時電流最大會達到130 A，速度起來后會穩定在56 A左右，電流正弦度高，說明采用這種啟動方法，可以較好的讓永磁同步電機正常啟動運行。

圖8 電機測試平臺與控制器

4 結語

本研究考慮基于霍爾傳感器永磁同步電機啟動困難的問題，提出了低速方波電流啟動，高速切換正弦波電流的方法，并用實驗驗證了180°方波啟動的可行性，在帶載情況下切換平滑，具有實用價值，并且具有很大的市場競爭力。

圖9 三相霍爾信號與反電勢波形

圖10 啟動過程電流波形、位置信息、霍爾信號

圖11 額定負載啟動電流與位置信號波形

[1] 王建設, 徐榮, 孫友增. 永磁同步電動機發展現狀綜述[J]. 科技與創新, 2016,(16):5-6.

[2] 房森林, 章躍進. 基于離散位置信號的永磁同步電動機空間矢量控制[J]. 微特電機, 2010, 38(07):51-53+56.

[3] 荀倩, 吳勇, 王培良, 蔡志端. 霍爾位置傳感器無刷直流電機起動控制策略[J]. 中國測試, 2016,42(08):118-122.

[4] 曾風平, 鄭成勇, 章躍進. 基于開關型霍爾位置傳感器的永磁同步電動機正弦波驅動[J]. 微特電機, 2010, 38(08):56-58+71.

[5] 易磊. 輕型電動汽車用永磁同步電機驅動系統研究 [D]. 碩士學位論文：華中科技大學, 2016.

Square Wave Start-up Control of Permanent Magnet Synchronous Motor with Hall-effect Sensors

Zhong Yifei, Kong Wubin, Yi Lei, Qu Ronghai

(School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

TM341

A

1003-4862（2018）01-0026-04

2017-10-15

鐘逸飛(1994-)，男，碩士。研究方向：永磁同步電動機驅動控制。