一種無刷直流電動機霍爾位置快速確定方法

張穩(wěn)橋，曾曉松，魏雪環(huán)，劉 勇

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

近40多年以來，伴隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)、自動控制技術(shù)以及稀土永磁材料的快速發(fā)展，無刷直流電動機(以下簡稱電機)因其高功率密度、高效率、控制方式簡單、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、運行可靠、壽命長等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機器人、家用電器、電動玩具等行業(yè)，逐漸取代有刷電機成為工業(yè)領(lǐng)域隨處可見的伺服裝置[1-3]。

從控制方法上區(qū)分，電機可分為無位置傳感器控制和有位置傳感器控制，常用的無位置傳感器控制方法為通過檢測反電動勢過零點從而控制逆變電路中晶體管的通斷來實現(xiàn)電子換相[4]，該控制方法雖然有減小電機體積、線路簡單等優(yōu)點，但是同時也具有當(dāng)電機停止或轉(zhuǎn)速很低時，反電動勢無法檢測或因為電樞反應(yīng)使得氣隙磁場發(fā)生畸變從而不能準(zhǔn)確地檢測到反電動勢過零點等缺點。目前，有位置傳感器控制方式中，霍爾元件為主要的位置傳感器[5]。對于電機中霍爾元件的理論位置分析，吳小江、周灝、譚建成、王萍等已在相關(guān)文獻[4-7]中作了詳細闡述，本文以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例，旨在提出一種在工程設(shè)計中簡單快速地判斷霍爾元件理論位置的方法，并分析在無刷直流電動機研制過程中影響霍爾元件實際位置的幾種因素。

1 直槽電機霍爾元件理論安裝位置分析

無刷直流電動機的工作原理可以簡單概括為：反映主轉(zhuǎn)子位置的霍爾位置傳感器的輸出信號，通過電子換向電路去驅(qū)動與電樞繞組連接的相應(yīng)功率開關(guān)元件，使電樞繞組依次導(dǎo)電，從而在電樞繞組上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁感應(yīng)后，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并使電機以一定轉(zhuǎn)速帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器不斷輸出變化的高低電頻信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終一致，從而實現(xiàn)無接觸換流。因此，精準(zhǔn)的霍爾元件理論位置對無刷直流電動機實現(xiàn)精準(zhǔn)換相有著至關(guān)重要的意義。

霍爾元件的理論位置主要由電樞繞組磁勢位置決定，具體位置還與電機轉(zhuǎn)向、控制器的控制邏輯真值表、霍爾元件工作原理等因素有關(guān)。因此在分析霍爾元件的理論位置前，有必要作出如下約定：

1)霍爾元件為鎖存型霍爾集成電路。電機運轉(zhuǎn)時，每個霍爾元件輸出信號的占空比為50%，即邏輯1和0各占180°電角度。當(dāng)霍爾元件標(biāo)志面朝向磁極N極時，其輸出為邏輯1，當(dāng)霍爾元件標(biāo)志面朝向磁極S極時，其輸出為邏輯0，若霍爾元件標(biāo)志面背向跟蹤磁極，則輸出邏輯恰好相反。

2)電機正轉(zhuǎn)時，控制器的控制邏輯與導(dǎo)通方式對應(yīng)表見表1(A、B、C代表三相繞組)，即某相的霍爾元件信號上跳沿出現(xiàn)時，該相繞組開始正向?qū)?，某相的霍爾信號下跳沿出現(xiàn)時，該相繞組開始反向?qū)?。電機反轉(zhuǎn)時，控制器的加電順序相反。

表1 控制器控制邏輯與導(dǎo)通方式對應(yīng)表

3)若電機有跟蹤磁極，則跟蹤磁極決定霍爾元件信號的跳變，其極性應(yīng)和主磁極對應(yīng)。

1.1 霍爾元件分布與電樞繞組磁勢關(guān)系分析

基于上述約定，文獻[8]中已表明霍爾元件位置分布可通過磁勢軸線分布來確定，并詳細分析了霍爾元件位置與電樞繞組磁勢對應(yīng)關(guān)系，此處不再贅述。為方便讀者參考，直接引用其結(jié)果，即每對磁極下有兩組共六個霍爾元件位置可選擇，兩組位置恰好相差180°電角度，且這些位置均與三相繞組磁勢軸線重合，其對應(yīng)關(guān)系見表2(FA、FB、FC分別代表A、B、C三相對應(yīng)的正向磁勢軸線)。

表2 霍爾元件理論位置與三相繞組磁動勢軸線對應(yīng)關(guān)系

1.2 直槽電機三相繞組磁勢軸線分布分析

通過1.1節(jié)的分析，我們知道了霍爾元件位置與繞組磁勢位置相對應(yīng)，因此在工程設(shè)計中，為了快速精準(zhǔn)地確定霍爾元件位置，高效準(zhǔn)確地分析出繞組磁勢分布顯得尤為重要。本節(jié)分別以12槽4極整數(shù)槽電機和9槽6極分?jǐn)?shù)槽電機為例，提出一種能夠快速確定電機磁勢分布的方法。

1.2.1 12槽4極電機三相繞組磁勢軸線分布分析

整數(shù)槽電機三相繞組磁勢軸線可直接根據(jù)右手螺旋定則得出。12槽4極電機為例，繞組展開圖如圖1所示，分析某相繞組磁勢分布時，均假定電流從該相繞組抽頭流入，則根據(jù)右手螺旋定則易得出其三相繞組磁勢分布，如圖2所示(說明：圖中阿拉伯?dāng)?shù)字為槽序號，規(guī)定磁勢方向由電樞內(nèi)側(cè)指向外為正)。

圖1 12槽4極電機繞組展開圖

圖2 12槽4極電機磁勢分布圖

1.2.2 9槽6極電機三相繞組磁勢軸線分布分析

9槽6極電機為分?jǐn)?shù)槽電機，其繞組磁勢判斷較整數(shù)槽電機復(fù)雜，需引入虛擬單元電機的概念：設(shè)定子槽數(shù)為Z，轉(zhuǎn)子極對數(shù)為p，則存在一t值使得Z=Z0t，p=p0t(t為Z和p的最大公約數(shù))，原電機由t個單元電機組成。分析磁勢軸線分布時，可將單元電機等效為極對數(shù)為1、槽數(shù)為Z0的電機來分析磁勢分布。因此，簡化為單元電機后，所有繞組的磁勢相量和便是該相繞組的合成磁勢。

9槽6極電機繞組展開圖如圖3所示，該類電機極對數(shù)為3，因此該類電機可等效為由3個3槽2極的單元電機組成。以1、2、3槽組成的單元電機來分析其磁勢軸線分布，假設(shè)三相均通入正向電流，則單元電機各相繞組電流方向如圖4所示，使用右手螺旋定則得到各繞組磁勢分布如圖5所示。根據(jù)電機繞組分布規(guī)律，電樞上相差180°電角度為相反磁勢，相差360°電角度為相同磁勢，得到9槽6極電機電樞磁勢分布如圖6所示。

圖3 9槽6極電機繞組展開圖

上述分析中，磁勢位置直接體現(xiàn)在電樞鐵芯上，比較直觀，方便設(shè)計師將常用極槽配合電機的電樞繞組磁勢分布圖建立成設(shè)計平臺，作為工具備查，可大大提高霍爾元件位置設(shè)計效率。

1.2.3 霍爾元件位置分布規(guī)律

從圖6容易看出，繞組磁勢各間隔60°電角度，可作為霍爾元件對應(yīng)位置的一組磁勢中，三相繞組磁勢各間隔120°電角度或者240°電角度。

經(jīng)分析，在更多極對數(shù)的電機中，除上述兩種情況外，可作為霍爾元件對應(yīng)位置的一組磁勢間隔角度，還可為480°電角度、600°電角度、840°電角度……由此可以看出，三個霍爾元件間隔角度可為120°電角度的整數(shù)倍(去除360°電角度整數(shù)倍)。

2 定子鐵心斜槽對霍爾元件位置的影響

對于整數(shù)槽電機，為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩，往往將鐵心中相鄰沖片的槽錯開一定角度，便得到斜槽的鐵心。使用斜槽鐵心的電樞，繞組磁勢分布和使用直槽鐵心的電樞必定有差異，從而影響霍爾元件的理論位置。定子鐵心斜槽方式共兩種，如圖7所示。

圖7 定子鐵心斜槽方式示意圖

當(dāng)鐵心按照圖7(a)中方式斜槽時，從電樞出線端看，所有槽往逆時針方向斜，因此繞組跟著往逆時針方向斜，從而導(dǎo)致繞組磁勢位置往逆時針方向偏移。假設(shè)鐵芯斜一槽，則出線端沖片與非出線端沖片正好錯開一槽，如圖8所示。電樞可以做這樣一個等效，每塊沖片與繞組單獨形成電樞，之后再按照一定角度錯開疊加得到整個電樞，設(shè)鐵芯有n塊沖片，出線端沖片為第1塊，形成電樞為電樞1，依次往非出線端排序，則非出線端沖片為第n塊，形成電樞為電樞n。假設(shè)電樞1中有某一磁勢FA1，則電樞n中與該磁勢有一對應(yīng)磁勢FA2，F(xiàn)A1與FA2方向恰好錯開一個槽的角度，且大小相等，對這兩個磁勢求和，得到FA，則FA在FA1的基礎(chǔ)上往逆時針方向斜了半個槽的角度；同樣，第2塊沖片、第(n-1)塊沖片的對應(yīng)磁勢合成后會得到與FA大小相等、方向相同的磁勢。所有磁勢合成后方向仍與FA相同。因此，鐵芯斜槽的電樞等效磁勢方向較直槽時逆時針旋轉(zhuǎn)了斜槽角度的一半，從而與該磁勢對應(yīng)的霍爾元件空間位置應(yīng)逆時針旋轉(zhuǎn)相同角度。

圖8 定子鐵心斜槽后磁勢合成示意圖

通過以上分析，可得出如下結(jié)論：若定子鐵心按圖7(a)方式斜槽，則霍爾元件空間位置較直槽時逆時針旋轉(zhuǎn)斜槽角度的一半；若定子鐵心按圖7(b)方式斜槽，則霍爾元件空間位置較直槽時順時針旋轉(zhuǎn)斜槽角度的一半。

3 電機生產(chǎn)過程中影響霍爾元件實際位置的因素

在進行電機設(shè)計時，通過以上方法，能確定霍爾元件的理論位置。但是在電機實際生產(chǎn)過程中，還有一些因素會導(dǎo)致霍爾元件的實際位置偏離理論位置，從而影響電機性能，甚至導(dǎo)致電機不能正確完成換相，列舉如下：

1)霍爾元件在印制板上的焊接位置偏離設(shè)計理論位置；

2)電機裝配完成后，霍爾元件對應(yīng)電樞繞組的位置偏離理論位置；

3)對于使用跟蹤磁極反映主磁極極性的電機，跟蹤磁極與主磁極極性不完全對應(yīng)。

針對以上影響因素，在電機生產(chǎn)過程中，需注意下列事項：

1)霍爾元件焊接機械化或使用工裝保證霍爾焊接位置與理論位置對應(yīng)；

2)設(shè)計時確認(rèn)電樞與機殼的相對位置，在生產(chǎn)中采取方法保證電樞壓裝完后與機殼的相對位置和 理論設(shè)計一致；

3)保證跟蹤磁極與主磁極極性對應(yīng)。

4 結(jié)論

通過上述分析，可得出如下結(jié)論：

1)霍爾元件可能理論位置由電樞磁勢位置決定，霍爾元件實際理論位置由電機轉(zhuǎn)向和真值表等要求決定；

2)霍爾元件的理論位置與電樞鐵心是否斜槽有關(guān)；

3)電機生產(chǎn)過程中的人為因素會導(dǎo)致霍爾元件的實際位置偏離理論位置，可能使電機出現(xiàn)換相問題。