一種無刷直流電機霍耳信號與定子繞組關系自學習方法

李柏松，金辛海，胡志濤（上海新時達電氣股份有限公司，上海201801）

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一種無刷直流電機霍耳信號與定子繞組關系自學習方法

李柏松，金辛海，胡志濤
（上海新時達電氣股份有限公司，上海201801）

摘要：無刷直流電機工作所需的換相信號通常由霍耳傳感器提供，要控制無刷直流電機正常運行，必須準確獲知霍耳信號與定子繞組的關系。提出了一種無刷直流電機霍耳信號與定子繞組關系自學習方法，該方法通過不同的繞組通電組合將電機轉子依次轉到6個不同的位置并記錄對應的霍耳信號，然后得出霍耳信號與定子繞組的對應關系。所提出的方法快速準確，且對霍耳傳感器安裝方式沒有要求，非常實用。實驗結果驗證了所提出方法的正確性。

關鍵詞：無刷直流電機；霍耳信號；換相

隨著電力電子技術的發(fā)展，無刷直流電機得到了越來越廣泛的應用，在電動車輛、家用電器、紡織機械等領域都可以見到無刷直流電機的身影。無刷直流電機工作時，需要根據(jù)轉子位置的不同來切換工作狀態(tài)?；舳鷤鞲衅鞒Ｓ脕頇z測無刷直流電機的換相位置，對于三相無刷直流電機，3個霍耳傳感器就可以將6個換相位置檢測出來。常用的霍耳傳感器安裝方式有120°安裝和60°安裝2種，2種方法都可以輸出6個不同的霍耳信號，分別對應6個不同的區(qū)域，當無刷直流電機轉子轉到某一區(qū)域時，對應的繞組通電，電機就可以正常工作，若霍耳信號與繞組關系錯誤，就無法正常工作，甚至會對電機或功率器件造成損壞。因此，確定霍耳信號與定子繞組關系對于無刷直流電機而言非常重要［1-5］。

已有一些文獻對如何確定霍耳信號與定子繞組關系進行了研究，并提出了一些檢測方法。文獻［1］提出了區(qū)分無刷直流電機定子繞組、霍耳傳感器引腳的方法，但這種方法適用于霍耳傳感器的輸出為模擬量的情況，而無刷直流電機的霍耳傳感器大多輸出數(shù)字量。文獻［2］和文獻［3］根據(jù)線反電勢與換相信號的關系來判斷換相信號與繞組關系，文獻［2］使用DSP捕捉線反電勢過零點，而文獻［3］使用示波器來采集線反電勢波形，要獲得線反電勢，兩種方法都要借助外力使電機轉動。文獻［4］需要將轉子轉到特定位置，然后根據(jù)繞組通電情況判斷，實現(xiàn)不太方便。文獻［5］提出了一種無刷直流電機相序故障自恢復方法，但這種方法需提前獲知霍耳信號的安裝方式，即120°安裝還是60°安裝。

本文提出了一種無刷直流電機霍耳信號與定子繞組關系自學習方法，這種方法采用三三導通的方式將電機轉子依次轉到6個位置，并紀錄對應的霍耳信號，以此來判斷繞組與霍耳信號關系。該方法無需提前獲知霍耳傳感器是120°安裝還是60°安裝，也無需借助外力使電機轉動，安全可靠，簡單易行，可以廣泛應用于帶霍耳傳感器的無刷直流電機應用場合，如電動自行車、紡織機械等。

1　無刷直流電機原理

三相無刷直流電機常采用兩兩導通的方式工作，兩兩導通指任意時刻逆變器只有2只開關管開通。無刷直流電機需要根據(jù)轉子位置來切換工作狀態(tài)，也就是說換相點是無刷直流電機正常工作必不可少的信息。圖1為三相無刷直流電機換相點示意圖，為便于理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對于三相無刷直流電機，每個電周期內有6個不同的換相點，也就是說每個電周期內電機換相6次。

圖1　無刷直流電機換相點示意圖Fig.1 Commutation signals of BLDC motors

霍耳傳感器常用來檢測無刷直流電機換相點。三相無刷直流電機需要3個霍耳傳感器來檢測6個不同的位置，霍耳傳感器的安裝有120°安裝和60°安裝2種方式，120°安裝指3個霍耳傳感器互差120°（電角度），而60°安裝指3個霍耳傳感器互差60°（電角度），2種安裝方法對應霍耳傳感器的輸出信號如圖2所示，圖2中霍耳信號跳變的位置就是換相點。2種安裝方式最大的區(qū)別在于采用60°安裝時可以輸出“000”和“111”信號，而120°安裝則不會輸出這2個信號，通過這一點可以判斷霍耳傳感器的安裝方式。

圖2　霍耳傳感器輸出信號Fig.2 Output signals of hall sensors

不管采用哪種安裝方式，輸出的霍耳信號將每個電周期分為6個區(qū)域，當轉子轉到某個區(qū)域時，特定的繞組通電，無刷直流電機即可正常運行，若霍耳信號與繞組關系不準確，電機將無法工作，甚至會造成電機或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機霍耳信號與繞組關系自學習方法。

2　霍耳信號與定子繞組關系自學習方法

三相無刷直流電機轉矩可以由下式來計算；

式中：ea，eb，ec為三相相反電勢；ia，ib，ic為三相相電流；ω為電機角速度。

空載時，在電機繞組中通以固定電流，電機轉子將轉到某一位置并停止，此時電機產生的轉矩為零。圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳傳感器將電周期分成的6個區(qū)域，當兩兩導通時，通電的兩相繞組電流大小相等，方向相反，電機轉矩為零的點分布在各個區(qū)域的邊界上；當采用三三導通時，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那么其它兩相電流為-I/2，此時電機轉矩為零的點分布在各個區(qū)域的中間位置，如圖3所示。通過以上分析可以知道，要使轉子轉到某一個區(qū)域，采用三三導通的方法要比兩兩導通的方法更加合理。

圖3　繞組通電時轉子停止位置示意圖Fig.3 Standstill position when coils conducted

在某一個特定的區(qū)域，正常工作時需要通電的繞組是一定的，如圖3中的區(qū)域Ⅰ，兩兩導通時需A相和B相繞組通電，要想產生正轉矩，A相繞組應通正電流，B相繞組應通負電流，記為“A+ B-”，要產生負轉矩則“B+A-”，其它區(qū)域內繞組通電的情況如表1所示。如果電機采用三三導通方式工作，可以根據(jù)反電勢很容易地得出繞組通電情況，這里就不再列舉。

表1　兩兩導通工作時各區(qū)域通電情況Tab.1 Working phases in different sections when two phase conducted

如果能夠獲知各個區(qū)域內霍耳信號的情況，就知道了霍耳信號與定子繞組的關系。按表2將電機轉子依次轉到6個區(qū)域的中間位置，紀錄此時的霍耳信號值，按照表1就可以得到霍耳信號與定子繞組關系。

表2　自學習時選用的通電組合Tab.2 Conducting phases when determining hall signals and stator coils relationship

3　實驗結果

為驗證本文提出的方法，特進行實驗。實驗用無刷直流電機為380 V/28A，額定頻率為50 Hz。按“A-B+C+”給繞組通電，持續(xù)1 s后按“A-B-C+”通電，同樣持續(xù)1 s，此時轉子將轉到區(qū)域Ⅰ中間位置，記錄此時的霍耳傳感器信號，然后依次按“A+ B-C+”，“A+B-C-”，“A+B+C-”，“A-B+C-”，“A-B+ C+”通電，每個狀態(tài)持續(xù)1 s，并紀錄區(qū)域Ⅱ～Ⅵ對應的霍耳信號。圖4為自學習時A相電流波形，為更加直觀地顯示霍耳信號與繞組關系，將霍耳信號和繞組組合進行編碼，將其用1，2，3，4，5，6來表示，這樣就可以用示波器顯示出來，圖5即自學習完成后獲得的霍耳信號與繞組對應關系。

圖4　自學習時A相電流波形Fig.4 Current waveform of fhase A when determining hall signals and stator coils relationship

按照自學習后獲得的霍耳信號與繞組對應關系控制無刷直流電機運行，電機可以正常工作，說明自學習所得對應關系是正確的，電機運行時的電流波形如圖6所示。

圖5　自學習獲得的霍耳信號與繞組關系Fig.5 The relationship between hall signals and stator coils

圖6　電機按自學習結果進行運行時的電流波形Fig.6 Current waveform when the BLDC motor worked according to the determined hall signals and stator coils relationship

4　結論

本文提出了一種無刷直流電機霍耳信號與定子繞組關系自學習方法，這種方法使用三三導通的方式將電機轉子依次轉到6個不同的區(qū)域，紀錄對應的霍耳信號，依次獲得霍耳信號與定子繞組的對應關系。這種方法對霍耳傳感器的安裝方式沒有要求，無論120°安裝還是60°安裝都適用。實驗結果證實了本文提出方法的正確性，該方法可以快速準確地學習出無刷直流電機霍耳信號與定子繞組的關系，非常實用。

參考文獻

［1］Shyh-jier W，Cheng Chi-chang，Shir-Kuan L，et al. An Automatic Pin Identification Method for a Three-phase DC Brushless Motor［J］. Magnetics，IEEE Transactions on，2005，41 （10）：3916-3918.

［2］CHEN Yong，CAI Dong-sheng，LIU Xia. Relationship Detection Between the Signals of Composite Photoelectric Encoder and the Windings of BLDC Motor［J］. Przegl?d Elektrotechniczny Selected Full Texts，2012，88（7）：113-116.

［3］許家群，宗立志，段建民，等.無刷直流電機相序測定實用方法［J］.現(xiàn)代電子技術，2008，31（17）：117-119.

［4］倪健，崔巍，章躍進.測定無刷直流電動機轉子霍耳信號與繞組對應關系的方法［J］.微特電機，2006，34（2）：44-45.

［5］胡慶波，呂征宇.直流無刷電機中相序故障自恢復功能的實現(xiàn)［J］.伺服控制，2006，5（5）：46-49.

Method to Determine the Relationship Between Hall Signals and Stator Coils of the BLDC Motors

LI Baisong，JIN Xinhai，HU Zhitao
（Shanghai STEP Electric Corporation，Shanghai 201801，China）

Abstract：The brushless direct current（BLDC）motors usually work with hall sensors providing the commutation 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 moved to six different positions with the hall signals and the corresponding conduced stator coils being recorded，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 experiment results verify the proposed method.

Key words：brushless direct current（BLDC）motor；hall signals；commutation

中圖分類號：TM351

文獻標識碼：A

基金項目：國家科技支撐計劃：大功率電液器件及精密傳動件關鍵技術研究與應用示范（2014BAF08B00）

作者簡介：李柏松（1987-），男，碩士，Email：libs@stepelevator.com

收稿日期：2015-09-15