一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法.pdf

电气传动 2016 年 第46 卷 第5 期 一 种 无 刷 直 流 电 机 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 关 系 自 学 习 方 法 李柏松 金辛海 胡志涛 上海新时达电气股份有限公司 上海 201801 摘 要 无 刷 直 流 电 机 工 作 所 需 的 换 相 信 号 通 常 由 霍 耳 传 感 器 提 供 要 控 制 无 刷 直 流 电 机 正 常 运 行 必 须 准 确 获 知 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 的 关 系 提 出 了 一 种 无 刷 直 流 电 机 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 关 系 自 学 习 方 法 该 方 法 通 过 不 同 的 绕 组 通 电 组 合 将 电 机 转 子 依 次 转 到 6 个 不 同 的 位 置 并 记 录 对 应 的 霍 耳 信 号 然 后 得 出 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 的 对 应 关 系 所 提 出 的 方 法 快 速 准 确 且 对 霍 耳 传 感 器 安 装 方 式 没 有 要 求 非 常 实 用 实 验 结 果 验 证了所提出方法的正确性 关 键 词 无 刷 直 流 电 机 霍 耳 信 号 换 相 中图分类号 TM351 文献标识 码 A MethodtoDeterminetheRelationshipBetweenHallSignalsandStatorCoilsoftheBLDCMotors LIBaisong JINXinhai HUZhitao Shanghai STEP Electric Corporation Shanghai201801 China Abstract Thebrushlessdirectcurrent BLDC motorsusuallyworkwithhallsensorsprovidingthecommutation signals The relationship between hall signals and stator coils must be known to make sure that the BLDC motors can work well A method determining the relationship between hall signals and stator coils was proposed The rotor was movedtosixdifferentpositionswiththehallsignalsandthecorrespondingconducedstatorcoilsbeingrecorded and the relationship with the hall signals and stator coils could be known The proposed method could determine the relationship fast and convenient and there was no specific requires for installation of the hall sensors The experimentresultsverifytheproposedmethod Keywords brushlessdirectcurrent BLDC motor hallsignals commutation 基金项目 国家科技支撑计划 大功率电液器件及精密传动件关键技术研究与应用示范 2014BAF08B00 作者简介 李柏松 1987 男 硕士 Email libs 随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 无 刷 直 流 电 机 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 应 用 在 电 动 车 辆 家 用 电 器 纺 织 机 械 等 领 域 都 可 以 见 到 无 刷 直 流 电 机 的 身 影 无 刷 直 流 电 机 工 作 时 需 要 根 据 转 子 位 置 的 不 同 来 切 换 工 作 状 态 霍 耳 传 感 器 常 用 来 检 测 无 刷 直 流 电 机 的 换 相 位 置 对 于 三 相 无 刷 直 流 电 机 3 个 霍 耳 传 感 器 就 可 以 将6 个 换 相 位 置 检 测 出 来 常 用 的 霍 耳 传 感 器 安 装 方 式 有120 安 装 和60 安 装2 种 2 种 方 法 都 可 以 输 出6 个 不 同 的 霍 耳 信 号 分 别 对 应6 个 不 同 的 区 域 当 无 刷 直 流 电 机 转 子 转 到 某 一 区 域 时 对 应 的 绕 组 通 电 电 机 就 可 以 正 常 工 作 若 霍 耳 信 号 与 绕 组 关 系 错 误 就 无 法 正 常 工 作 甚 至 会 对 电 机 或 功 率 器 件 造 成 损 坏 因 此 确 定 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 关 系 对于无刷直流电机而言非常重要 1 5 已 有 一 些 文 献 对 如 何 确 定 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 关 系 进 行 了 研 究 并 提 出 了 一 些 检 测 方 法 文 献 1 提 出 了 区 分 无 刷 直 流 电 机 定 子 绕 组 霍 耳 传 感 器 引 脚 的 方 法 但 这 种 方 法 适 用 于 霍 耳 传 感 器 的 输 出 为 模 拟 量 的 情 况 而 无 刷 直 流 电 机 的 霍 耳 传 感 器 大 多 输 出 数 字 量 文 献 2 和 文 献 3 根 据 线 反 电 势 与 换 相 信 号 的 关 系 来 判 断 换 相 信 号 与 绕 组 关 系 文 献 2 使 用DSP 捕 捉 线 反 电 势 过 零 点 而 文 献 3 使 用 示 波 器 来 采 集 线 反 电 ELECTRICDRIVE 2016 Vol 46 No 5 78电气传动 2016 年 第46 卷 第5 期 势 波 形 要 获 得 线 反 电 势 两 种 方 法 都 要 借 助 外 力 使 电 机 转 动 文 献 4 需 要 将 转 子 转 到 特 定 位 置 然 后 根 据 绕 组 通 电 情 况 判 断 实 现 不 太 方 便 文 献 5 提 出 了 一 种 无 刷 直 流 电 机 相 序 故 障 自 恢 复 方 法 但 这 种 方 法 需 提 前 获 知 霍 耳 信 号 的 安装方式 即120 安装还是60 安装 本 文 提 出 了 一 种 无 刷 直 流 电 机 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 关 系 自 学 习 方 法 这 种 方 法 采 用 三 三 导 通 的 方 式 将 电 机 转 子 依 次 转 到6 个 位 置 并 纪 录 对 应 的 霍 耳 信 号 以 此 来 判 断 绕 组 与 霍 耳 信 号 关 系 该 方 法 无 需 提 前 获 知 霍 耳 传 感 器 是120 安 装 还 是 60 安 装 也 无 需 借 助 外 力 使 电 机 转 动 安 全 可 靠 简 单 易 行 可 以 广 泛 应 用 于 带 霍 耳 传 感 器 的 无 刷 直 流 电 机 应 用 场 合 如 电 动 自 行 车 纺 织 机 械 等 1 无刷直流电机原理 三 相 无 刷 直 流 电 机 常 采 用 两 两 导 通 的 方 式 工 作 两 两 导 通 指 任 意 时 刻 逆 变 器 只 有2 只 开 关 管 开 通 无 刷 直 流 电 机 需 要 根 据 转 子 位 置 来 切 换 工 作 状 态 也 就 是 说 换 相 点 是 无 刷 直 流 电 机 正 常 工 作 必 不 可 少 的 信 息 图1 为 三 相 无 刷 直 流 电 机 换 相 点 示 意 图 为 便 于 理 解 特 给 出 了 反 电 势 以 及 相 电 流 波 形 图 中ea eb ec 代 表 三 相 相 反 电 势 由 图 可 见 对 于 三 相 无 刷 直 流 电 机 每 个 电 周 期 内 有6 个 不 同 的换相点 也就是说每个电周期内电机换相6 次 霍 耳 传 感 器 常 用 来 检 测 无 刷 直 流 电 机 换 相 点 三 相 无 刷 直 流 电 机 需 要3 个 霍 耳 传 感 器 来 检 测6 个 不 同 的 位 置 霍 耳 传 感 器 的 安 装 有120 安 装 和60 安 装2 种 方 式 120 安 装 指3 个 霍 耳 传 感 器 互 差120 电 角 度 而60 安 装 指3 个 霍 耳 传 感 器 互 差60 电 角 度 2 种 安 装 方 法 对 应 霍 耳 传 感 器 的 输 出 信 号 如 图2 所 示 图2 中 霍 耳 信 号 跳 变 的 位 置 就 是 换 相 点 2 种 安 装 方 式 最 大 的 区 别 在 于 采 用60 安 装 时 可 以 输 出 000 和 111 信 号 而120 安 装 则 不 会 输 出 这2 个 信 号 通 过 这 一 点 可以判断霍 耳 传感器的安装方式 不 管 采 用 哪 种 安 装 方 式 输 出 的 霍 耳 信 号 将 每 个 电 周 期 分 为6 个 区 域 当 转 子 转 到 某 个 区 域 时 特 定 的 绕 组 通 电 无 刷 直 流 电 机 即 可 正 常 运 行 若 霍 耳 信 号 与 绕 组 关 系 不 准 确 电 机 将 无 法 工 作 甚 至 会 造 成 电 机 或 逆 变 器 损 坏 下 面 介 绍 一 种 无 刷 直 流 电 机 霍 耳 信 号 与 绕 组 关 系 自 学 习 方 法 2 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 关 系 自 学 习 方法 三相无 刷直流电机转矩可以由下式来计算 T e a i a e b i b e c i c 式 中 e a e b e c 为 三 相 相 反 电 势 i a i b i c 为 三 相相电流 为电机角速度 空 载 时 在 电 机 绕 组 中 通 以 固 定 电 流 电 机 转 子 将 转 到 某 一 位 置 并 停 止 此 时 电 机 产 生 的 转 矩 为 零 图3 中 表 示 霍 耳 传 感 器 将 电 周 期 分 成 的6 个 区 域 当 两 两 导 通 时 通 电 的 两 相 绕 组 电 流 大 小 相 等 方 向 相 反 电 机 转 矩 为 零 的 点 分 布 在 各 个 区 域 的 边 界 上 当 采 用 三 三 导 通 时 三 相 绕 组 均 通 电 若 电 流 最 大 相 的 电 流 为I 那 么 其 它 两 相 电 流 为 I 2 此 时 电 机 转 矩 为 零 的 点 分 布 在 各 个 区 域 的 中 间 位 置 如 图3 所 示 通 过 以 上 分 析 可 以 知 道 要 使 转 子 转 到 某 一 个 区 域 采 用 三 三 导 通 的 方 法 要 比 两 两 导 通 的 方 法 更 加 合 理 在 某 一 个 特 定 的 区 域 正 常 工 作 时 需 要 通 电 的 绕 组 是 一 定 的 如 图3 中 的 区 域 两 两 导 通 时 需A 相 和B 相 绕 组 通 电 要 想 产 生 正 转 矩 A 相 绕 组 应 通 正 电 流 B 相 绕 组 应 通 负 电 流 记 为 A B 要 产 生 负 转 矩 则 B A 其 它 区 域 内 绕 组 通 电 的 情 况 如 表1 所 示 如 果 电 机 采 用 三 三 导 通 方 式 工 作 可 以 根 据 反 电 势 很 容 易 地 得 出 绕 组 通 电情况 这里就不再列举 图1 无刷直流电机换相点示意图 Fig 1 CommutationsignalsofBLDCmotors 图2 霍耳传感器输出信号 Fig 2 Outputsignalsofhallsensors 图3 绕组通电时转子停止位置示意图 Fig 3 Standstillpositionwhencoilsconducted 李柏松 等 一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法 79电气传动 2016 年 第46 卷 第5 期 如 果 能 够 获 知 各 个 区 域 内 霍 耳 信 号 的 情 况 就 知 道 了 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 的 关 系 按 表2 将 电 机 转 子 依 次 转 到6 个 区 域 的 中 间 位 置 纪 录 此 时 的 霍 耳 信 号 值 按 照 表1 就 可 以 得 到 霍 耳 信 号 与定子绕组关系 3 实验结果 为 验 证 本 文 提 出 的 方 法 特 进 行 实 验 实 验 用 无 刷 直 流 电 机 为380V 28A 额 定 频 率 为50Hz 按 A B C 给 绕 组 通 电 持 续1s 后 按 A B C 通 电 同 样 持 续1s 此 时 转 子 将 转 到 区 域 中 间 位 置 记 录 此 时 的 霍 耳 传 感 器 信 号 然 后 依 次 按 A B C A B C A B C A B C A B C 通电 每个 状态 持续1s 并纪 录区 域 对 应 的 霍 耳 信 号 图4 为 自 学 习 时A 相 电 流 波 形 为 更 加 直 观 地 显 示 霍 耳 信 号 与 绕 组 关 系 将 霍 耳 信 号 和 绕 组 组 合 进 行 编 码 将 其 用1 2 3 4 5 6 来 表 示 这 样 就 可 以 用 示 波 器 显 示 出 来 图5 即 自 学 习 完 成 后 获 得 的 霍 耳 信 号 与 绕 组 对 应 关 系 按 照 自 学 习 后 获 得 的 霍 耳 信 号 与 绕 组 对 应 关 系 控 制 无 刷 直 流 电 机 运 行 电 机 可 以 正 常 工 作 说 明 自 学 习 所 得 对 应 关 系 是 正 确 的 电 机 运 行时的电流波形如图6 所示 4 结论 本 文 提 出 了 一 种 无 刷 直 流 电 机 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 关 系 自 学 习 方 法 这 种 方 法 使 用 三 三 导 通 的 方 式 将 电 机 转 子 依 次 转 到6 个 不 同 的 区 域 纪 录 对 应 的 霍 耳 信 号 依 次 获 得 霍 耳 信 号 与 定 子 绕 组 的 对 应 关 系 这 种 方 法 对 霍 耳 传 感 器 的 安 装 方 式 没 有 要 求 无 论120 安 装 还 是60 安 装 都 适 用 实 验 结 果 证 实 了 本 文 提 出 方 法 的 正 确 性 该 方 法 可 以 快 速 准 确 地 学 习 出 无 刷 直 流 电 机 霍 耳信号与定子绕组的关系 非常实用 参考文献 1 Shyh jier W Cheng Chi chang Shir Kuan L et al An Auto matic Pin Identification Method for a Three phase DC Brush less Motor J Magnetics IEEE Transactions on 2005 41 10 3916 3918 2 CHEN Yong CAI Dong sheng LIU Xia Relationship Detec tion Between the Signals of Composite Photoelectric Encoder and the Windings of BLDC Motor J Przegl d Elektrotech nicznySelectedFullTexts 2012 88 7 113 116 3 许 家 群 宗 立 志 段 建 民 等 无 刷 直 流 电 机 相 序 测 定 实 用 方法 J 现代电子技术 2008 31 17 117 119 4 倪 健 崔 巍 章 跃 进 测 定 无 刷 直 流 电 动 机 转 子 霍 耳 信 号 与 绕组对应关系的方法 J 微特电机 2006 34 2 44 45 5 胡 庆 波 吕 征 宇 直 流 无 刷 电 机 中 相 序 故 障 自 恢 复 功 能 的 实现 J 伺服控制 2006 5 5 46 49 表2 自学习时选用的通电组合 Tab 2 Conductingphaseswhendetermininghall signalsandstatorcoilsrelationship 区域 通电绕组 A B C A B C A B C A B C A B C A B C 图5 自学习获得的霍耳信号与绕组关系 Fig 5 Therelationshipbetweenhallsignalsandstatorcoils 图6 电机按自学习结果进行运行时的电流波形 Fig 6 CurrentwaveformwhentheBLDCmotorworkedaccording tothedeterminedhallsignalsandstatorcoilsrelationship 表1 两两导通工作时各区域通电情况 Tab 1 Workingphasesindifferentsections whentwophaseconducted 区域 正转矩 A B A C B C B A C A C B 负转矩 B A C A C B A B A C B C 图4 自学习时A 相电流波形 Fig 4 Currentwaveformoffhase Awhendetermining hallsignalsandstatorcoilsrelationship 收稿日期 2015 09 15 李柏松 等 一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法 80