霍爾位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)控制策略

荀　倩，吳　勇，王培良，蔡志端

（1.湖州師范學(xué)院工學(xué)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(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)控制策略

荀倩1，吳勇2，王培良1，蔡志端1

（1.湖州師范學(xué)院工學(xué)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(duì)電機(jī)在低速起動(dòng)或轉(zhuǎn)速特別低時(shí)霍爾輸出信號(hào)不穩(wěn)定問(wèn)題，結(jié)合方波控制出力大與矢量控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，研究基于霍爾位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)方波與正弦波復(fù)合控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在分析霍爾估算原理的基礎(chǔ)上，對(duì)采用霍爾位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)矢量控制的起動(dòng)策略進(jìn)行研究，分析對(duì)比方波控制與正弦波控制在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)的起動(dòng)性能。仿真與實(shí)驗(yàn)表明：為確保電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)，根據(jù)不同起動(dòng)要求的場(chǎng)合，可以選擇正弦波直接起動(dòng)和方波切換正弦波起動(dòng)，該文研究的起動(dòng)控制策略能有效拓寬無(wú)刷直流電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合下的應(yīng)用。

方波控制；矢量控制；霍爾位置傳感器；正弦波直接起動(dòng)；方波切換正弦波起動(dòng)

0　引言

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于航空航天（雷達(dá)伺服、離心泵、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、慣性導(dǎo)航設(shè)備等）、交通工具（純電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等）、家用電器（冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇等）等領(lǐng)域［2］。

無(wú)刷直流電機(jī)通常采用方波控制，通過(guò)霍爾位置傳感器的輸出信號(hào)確定轉(zhuǎn)子位置，其控制簡(jiǎn)單，出力大，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲較大［3］，已不能滿足要求，為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，已將矢量控制應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)中［4-6］，而矢量控制在某些低速大扭矩場(chǎng)合會(huì)存在起動(dòng)不成功的問(wèn)題［7］，因此結(jié)合方波與矢量控制的優(yōu)點(diǎn)，研究方波與正弦波復(fù)合控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可得到具有出力大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲小的控制策略。

文獻(xiàn)［8］針對(duì)BLDCM繞組線、霍爾輸出信號(hào)線與控制器的接法不匹配造成的電機(jī)出力小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加的問(wèn)題，提出了一種電機(jī)轉(zhuǎn)子位置自學(xué)習(xí)策略，經(jīng)過(guò)一次位置自學(xué)習(xí)，就可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了電機(jī)起動(dòng)時(shí)的控制信號(hào)不匹配問(wèn)題。文獻(xiàn)［9］對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)采用方波驅(qū)動(dòng)與正弦波驅(qū)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性能進(jìn)行了對(duì)比，得到了正弦波控制特性優(yōu)于方波控制特性。文獻(xiàn)［10］對(duì)方波驅(qū)動(dòng)與正弦波驅(qū)動(dòng)模式的動(dòng)態(tài)切換進(jìn)行了研究，但其切換點(diǎn)是由外部按鍵進(jìn)行控制，并未根據(jù)轉(zhuǎn)速或負(fù)載等原因造成起動(dòng)不成功情況進(jìn)行分析，不能進(jìn)行自動(dòng)切換，沒(méi)有分析不同負(fù)載條件下的起動(dòng)性能。

本文在分析霍爾位置估算原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)矢量控制的起動(dòng)策略做出了詳細(xì)分析與研究，采用仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)方波切換起動(dòng)方式與直接正弦波起動(dòng)方式的起動(dòng)性能進(jìn)行研究。

1　霍爾位置估算原理

基于霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置估算方法建立在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行且能夠準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)速、位置等信息的基礎(chǔ)之上。通常情況下，將3個(gè)霍爾元件安裝在空間相隔120°的圓周上，相對(duì)于每一相定子繞組超前30°或者90°電角度。以1對(duì)極電機(jī)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(gòu)成的坐標(biāo)系與三相定子繞組軸線對(duì)應(yīng)，N、S為轉(zhuǎn)子。

轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾位置傳感器根據(jù)其旋轉(zhuǎn)速度輸出頻率可變的矩形波。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生的霍爾信號(hào)為三路相位相差120°電角度的180°脈寬的矩形波，一個(gè)360°的電角度周期被劃分為6個(gè)60°的霍爾區(qū)間，三相反電勢(shì)與霍爾信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。eA、eB、eC為電機(jī)三相反電勢(shì)，Ha、Hb、Hc為三相霍爾信號(hào)，三相霍爾信號(hào)將360°電角度劃分的6個(gè)60°霍爾扇區(qū)分別對(duì)應(yīng)霍爾扇區(qū)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(hào)與反電勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系

可以得出霍爾狀態(tài)與區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。當(dāng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，由變化的霍爾信號(hào)狀態(tài)就可以判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子所處的旋轉(zhuǎn)方向和位置區(qū)間。假定逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，若霍爾信?hào)由110狀態(tài)轉(zhuǎn)換為010狀態(tài)，可以確定電機(jī)為正向旋轉(zhuǎn)，并且已經(jīng)進(jìn)入霍爾區(qū)間IV。

表1　霍爾狀態(tài)與區(qū)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向和位置區(qū)間確定之后，就可以對(duì)轉(zhuǎn)子的具體位置信息進(jìn)行估算。設(shè)某一相霍爾180°間隔的時(shí)間為Δt，則在此區(qū)間內(nèi)電機(jī)的平均電角速度ωe為

設(shè)PWM周期為T，一個(gè)電角度周期為T1，在每個(gè)電角度周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)2π rad，則可以計(jì)算出每個(gè)PWM周期的轉(zhuǎn)子角度變化量為2πT/T1，然后在每次控制算法執(zhí)行時(shí)在上一次角度的基礎(chǔ)上對(duì)這個(gè)角度變化量進(jìn)行積分，就可以實(shí)時(shí)估算出轉(zhuǎn)子位置角度θ。

2　起動(dòng)控制策略

電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，由霍爾信號(hào)只能得到6個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置，采用位置估算方法計(jì)算得到的角度增量和轉(zhuǎn)速誤差較大，因此電機(jī)起動(dòng)過(guò)程需要進(jìn)行特殊處理。目前，應(yīng)用最廣泛的BLDCM矢量控制起動(dòng)方法［4］分為兩種：1）方波切換起動(dòng)，起動(dòng)之初采用兩兩導(dǎo)通六步換相，待電機(jī)加速到一定值后切換到根據(jù)估算位置同步的矢量控制；2）直接正弦波起動(dòng)，起動(dòng)開(kāi)始階段即采用同步坐標(biāo)矢量控制。

2.1方波切換起動(dòng)方法

一般情況下，方波控制為兩兩導(dǎo)通控制方式，逆變器開(kāi)關(guān)管采用上橋臂PWM、下橋臂恒通控制方式，同一時(shí)刻有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)。而矢量控制為三三導(dǎo)通模式，同一時(shí)刻有3個(gè)開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，且同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管處于互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài)。因此，必須考慮切換時(shí)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)以及轉(zhuǎn)子位置才能實(shí)現(xiàn)方波與正弦波的動(dòng)態(tài)切換。根據(jù)霍爾信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得方波控制與矢量控制時(shí)霍爾信號(hào)與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。其中，“ON”表示上橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，“OFF”表示關(guān)斷，“NC”表示該相橋臂不導(dǎo)通。

由表可知，切換時(shí)只需要某一相開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生變化。方波切換控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：切換過(guò)程完全通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，電機(jī)起動(dòng)時(shí)采用方波控制方式，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)切換為矢量控制方式。檢測(cè)到需要切換時(shí)，并不進(jìn)行立即切換，而是等到霍爾信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)進(jìn)行，因?yàn)槊看位魻栃盘?hào)跳變，估計(jì)轉(zhuǎn)子位置會(huì)進(jìn)行一次校準(zhǔn)，這樣轉(zhuǎn)子位置誤差可降至最小。當(dāng)速度再次小于穩(wěn)定值時(shí)，重新切回方波控制，為避免切換時(shí)出現(xiàn)震蕩，切換控制過(guò)程采用滯環(huán)控制。

表2　霍爾信號(hào)與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通關(guān)系

2.2正弦波直接起動(dòng)方法

采用直接正弦波起動(dòng)方法，在低速時(shí)通過(guò)60°分辨率的位置信號(hào)能夠獲得電機(jī)需要轉(zhuǎn)矩，相比于兩兩導(dǎo)通起動(dòng)方式，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小。

電機(jī)起動(dòng)時(shí)，根據(jù)霍爾位置傳感器輸出信號(hào)得到起動(dòng)初始位置，即轉(zhuǎn)子所在當(dāng)前霍爾扇區(qū)的中間位置，角度誤差控制在±30°范圍內(nèi)，然后根據(jù)給定轉(zhuǎn)速或電流信息，執(zhí)行矢量控制算法，通過(guò)SVPWM調(diào)制計(jì)算出合成作用電壓矢量。由于霍爾位置傳感器輸出信號(hào)在起動(dòng)過(guò)程中分辨率較低，起動(dòng)開(kāi)始的幾個(gè)霍爾扇區(qū)，電角度不進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，而是每隔60°電角度更新一次，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于一定閾值后，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)得的位置信號(hào)更新當(dāng)前電角度。

圖3　BLDCM雙閉環(huán)控制仿真框圖

3　仿真與實(shí)驗(yàn)

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(jī)起動(dòng)時(shí)需要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同選擇不同的起動(dòng)方式。若電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩條件下起動(dòng)，由于起動(dòng)時(shí)需要的電磁轉(zhuǎn)矩較大，采用方波切換正弦波起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)采用方波控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于設(shè)定閾值時(shí)，為保證切換的平穩(wěn)性，根據(jù)計(jì)數(shù)霍爾周期切換到正弦波控制。正弦波控制轉(zhuǎn)速小于閾值時(shí)，判斷計(jì)數(shù)霍爾周期之后重新切換到方波控制。若電機(jī)在高速或輕載條件下起動(dòng)，采用直接正弦波起動(dòng)方式，以減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3.1仿真驗(yàn)證

對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的隱極式無(wú)刷直流電機(jī)，在矢量控制方式下，電磁轉(zhuǎn)矩Te和交軸電流iq成比例，通過(guò)控制交軸電流iq，就能有效控制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。而在方波控制方式下，不可避免地產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且隨著負(fù)載增大而增大，影響系統(tǒng)整體控制性能。仿真時(shí)，不同負(fù)載條件對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能影響不明顯，因此，仿真中給定轉(zhuǎn)速500r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.5N·m，轉(zhuǎn)速閾值為100 r/min。圖4為方波切換起動(dòng)方式和直接起動(dòng)方式下，A相電流和輸出電磁轉(zhuǎn)矩波形。

由圖可知，兩種起動(dòng)方式都能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)正常起動(dòng)運(yùn)行。在低速情況下，利用霍爾位置傳感器估算的轉(zhuǎn)子位置誤差較大，直接起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，而方波驅(qū)動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。

圖4　不同起動(dòng)方式A相電流與電磁轉(zhuǎn)矩

圖5　運(yùn)行時(shí)相電流和電磁轉(zhuǎn)矩

圖5為穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)矢量控制和方波控制相電流和電磁轉(zhuǎn)矩輸出波形?？梢钥闯?，反電動(dòng)勢(shì)為正弦波時(shí)，方波控制和矢量控制相電流與相反電動(dòng)勢(shì)同相位，此時(shí)可獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩。方波控制時(shí)，相電流在換相時(shí)波動(dòng)明顯，并且波動(dòng)隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加而增大，相電流波動(dòng)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)的起動(dòng)性能，分別對(duì)空載、滿載條件下的起動(dòng)性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。圖6為空載條件給定轉(zhuǎn)速為500r/min，轉(zhuǎn)速閾值設(shè)置為100 r/min（不同電機(jī)轉(zhuǎn)速切換閾值不同）在不同起動(dòng)方式下A相電流波形。方波切換起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)較大，實(shí)際應(yīng)用中，若電機(jī)空載，則直接起動(dòng)方式為首選。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電機(jī)在滿載條件下轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)正弦波直接起動(dòng)方式電機(jī)不能可靠起動(dòng)，而方波切換正弦波方式電機(jī)可以平穩(wěn)起動(dòng)。圖7為滿載條件給定轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速閾值設(shè)置為100r/min時(shí)的方波切換正弦波起動(dòng)波形。起動(dòng)開(kāi)始時(shí)采用方波控制，起動(dòng)階段電機(jī)無(wú)抖動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)后，立即檢測(cè)轉(zhuǎn)速信息，當(dāng)速度達(dá)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(zhí)行電角度和角速度計(jì)算，這樣保證了切換之后電角度估計(jì)值的準(zhǔn)確性，切換過(guò)程平穩(wěn)。方波控制時(shí)，由于采用兩兩導(dǎo)通六步換相控制，每時(shí)刻有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，相電流為6步階梯波，矢量控制時(shí)，逆變器采用三三導(dǎo)通方式，每時(shí)刻有3個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，相電流為正弦波。

圖6　空載時(shí)不同起動(dòng)方式下相電流波形

圖7　滿載時(shí)方波切換正弦波起動(dòng)波形

4　結(jié)束語(yǔ)

本文在分析霍爾位置估算原理的基礎(chǔ)上，研究了基于霍爾位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)方波與正弦波復(fù)合控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)矢量控制的起動(dòng)策略進(jìn)行了研究，仿真和實(shí)驗(yàn)表明在低速大轉(zhuǎn)矩條件下起動(dòng)時(shí)，采用方波切換起動(dòng)方式較合適，而在高速低轉(zhuǎn)矩條件下起動(dòng)時(shí)，采用直接正弦波起動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61573137）

湖州市公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015GZ05）

荀倩（1990-），女，陜西漢中市人，碩士，專業(yè)方向?yàn)殡姍C(jī)控制、電力電子與電力傳動(dòng)。