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(jī)方波啟動(dòng)問題研究

鐘逸飛，孔武斌，易 磊，曲榮海

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

針對(duì)基于霍爾位置傳感器的永磁同步電機(jī)啟動(dòng)不穩(wěn)定的情況，本文提出了永磁同步電機(jī)180°方波電流啟動(dòng)，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(tǒng)和軟件算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)滿載啟動(dòng)和加速過程，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

永磁同步電機(jī) 霍爾位置傳感器 方波啟動(dòng)

0 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)較簡單、體積小、特性好、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，在各種高性能場(chǎng)合的應(yīng)用日益廣泛[1]。相對(duì)于無刷直流電機(jī)的方波控制，永磁同步正弦電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，效率高。精確的位置信號(hào)對(duì)于正弦波驅(qū)動(dòng)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(fù)雜，位置檢測(cè)精度不高，帶載啟動(dòng)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(gè)很好的方案。

霍爾位置傳感器，每個(gè)電周期只能提供6個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，不能直接滿足正弦波驅(qū)動(dòng)的要求。采用角度細(xì)分的位置估算方法，在起動(dòng)階段，由于速度偏低，計(jì)數(shù)器有可能溢出，因此估算將很不準(zhǔn)確，甚至出現(xiàn)不能啟動(dòng)的狀況。

本文提出的永磁同步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用180°電流驅(qū)動(dòng)方式，待電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定程度再切入正弦電流驅(qū)動(dòng)的方法，既降低了成本，又解決了啟動(dòng)和低速運(yùn)行的問題。

1 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)中，會(huì)將三路霍爾信號(hào)異或，異或后的霍爾信號(hào)如圖2所示。其每個(gè)上升沿和下降沿時(shí)刻都會(huì)觸發(fā)定時(shí)器中斷，在每個(gè)中斷里面會(huì)計(jì)算轉(zhuǎn)過60°電角度定時(shí)器產(chǎn)生多少個(gè)脈沖，由此計(jì)算出經(jīng)過一個(gè)扇區(qū)的時(shí)間?；魻栃盘?hào)上下沿觸發(fā)中斷服務(wù)子程序包括讀取霍爾信號(hào)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子所在的扇區(qū)、位置估算、位置校正等。

位置估算原理如圖3所示。

為扇區(qū)內(nèi)平均速度，和分別為扇區(qū)、所用時(shí)間，為采樣周期，為采樣次數(shù)，，，分別為低分辨率位置信號(hào)。因此根據(jù)公式（2）可以估算出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子的精確位置。

圖3 轉(zhuǎn)子位置估算算法示意圖

2 啟動(dòng)方法

由于位置的估計(jì)是建立在對(duì)離散霍爾時(shí)間間隔的計(jì)算，在復(fù)雜工況下，尤其是在起動(dòng)階段, 由于速度偏低，計(jì)數(shù)器有可能溢出，因此估算將很不準(zhǔn)確[2]。如果我們?cè)俑鶕?jù)前一60°電角度轉(zhuǎn)過的速度來計(jì)算當(dāng)前位置信號(hào)，則很難正確地反映當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置，在某些低速大扭矩場(chǎng)合會(huì)存在起動(dòng)不成功的問題[3]，因而有必要在起動(dòng)階段采用方波啟動(dòng)的方式。

方波啟動(dòng)包括兩種：120°和180°電流驅(qū)動(dòng)方式。其中180°電流驅(qū)動(dòng)方式諧波含量小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小因而電機(jī)噪聲小。而120°電流驅(qū)動(dòng)方式通過霍爾位置傳感器的輸出信號(hào)確定轉(zhuǎn)子位置，其控制簡單，出力大，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲較大[4]

圖4 方波電流啟動(dòng)方式

圖a為120°電流驅(qū)動(dòng)方式，二二導(dǎo)通方式，兩兩導(dǎo)通是指任意時(shí)刻電機(jī)兩相導(dǎo)通，第三相懸空。一個(gè)電周期有 6 種導(dǎo)通狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)中只有兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，每 60°完成一次換相,換相點(diǎn)在反電勢(shì)平頂處,每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通 120°。

本文采用圖b所示的180°電流驅(qū)動(dòng)方式，三三導(dǎo)通方式，三三導(dǎo)通是指任意時(shí)刻電機(jī)三相均導(dǎo)通，同兩兩導(dǎo)通相比，也是每60°完成一次換相，也有6種導(dǎo)通狀態(tài)。但每個(gè)狀態(tài)任意時(shí)刻有三個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為180°，換相點(diǎn)在反電勢(shì)過零點(diǎn)[5]。根據(jù)霍爾元件檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所在的扇區(qū)，啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)轉(zhuǎn)子位置在扇區(qū)的中線上，所以啟動(dòng)轉(zhuǎn)子誤差最大為±30°。在電機(jī)定子繞組中通入電流使得產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子位置 120°電角度，這樣的磁場(chǎng)持續(xù)導(dǎo)通轉(zhuǎn)子掃過60°電角度的時(shí)間。即當(dāng)下一次霍爾變化時(shí)，才將磁場(chǎng)方向再提前 60°，電角度每隔60°更新一次，使得定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)夾角在60°到120°范圍中變化，根據(jù)離散角度信息執(zhí)行矢量控制算法，通過 SVPWM 調(diào)制計(jì)算出合成作用電壓矢量，因而保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，這時(shí)轉(zhuǎn)子位置可以連續(xù)較為準(zhǔn)確地估算出來, 從180°電流驅(qū)動(dòng)方式切換為正弦電流矢量控制，從而較好解決了低速起動(dòng)脈動(dòng)很大，甚至失步的問題。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)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(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、霍爾位置傳感器、霍爾電流傳感器組成。同時(shí)控制系統(tǒng)核心選擇 STM32F103芯片，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路簡潔明了。

圖5 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文對(duì)一臺(tái)裝有三相霍爾位置傳感器的永磁同步電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電機(jī)主要參數(shù)為：額定功率2.8 kW，額定電壓60 V，額定轉(zhuǎn)速2500 rpm，額定轉(zhuǎn)矩10.7 Nm，極對(duì)數(shù)為4，轉(zhuǎn)速150 rpm設(shè)為切換點(diǎn)。控制器開關(guān)頻率為10 kHz。控制器和電機(jī)測(cè)試平臺(tái)如圖8所示。

圖6 永磁同步電機(jī)控制策略圖

圖7 軟件控制流程圖

圖9為用一臺(tái)伺服電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)所用永磁同步電機(jī)得到的反電勢(shì)和霍爾位置信號(hào)。說明實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)霍爾位置傳感器安裝位置與本文轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)電機(jī)的啟動(dòng)過程中的電流波形、位置信息、霍爾信號(hào)。定子電流i指令由外部油門踏板給定，電機(jī)負(fù)載5 Nm。圖中啟動(dòng)電流為180°導(dǎo)通模式，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高后切換至正弦波電流驅(qū)動(dòng)。啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)子位置信號(hào)從離散的信號(hào)切換到連續(xù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了低速到高速的平緩切換。而角度位置信號(hào)與和霍爾信號(hào)Hcba相對(duì)應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，每個(gè)電周期隨著轉(zhuǎn)子從0°轉(zhuǎn)到360°，霍爾信號(hào)Hcba會(huì)依照3-2-6-4-5-1變化，順時(shí)針相反。

圖11為帶額定負(fù)載11 Nm啟動(dòng)的電流波形與位置信號(hào)波形。啟動(dòng)正常，啟動(dòng)時(shí)電流最大會(huì)達(dá)到130 A，速度起來后會(huì)穩(wěn)定在56 A左右，電流正弦度高，說明采用這種啟動(dòng)方法，可以較好的讓永磁同步電機(jī)正常啟動(dòng)運(yùn)行。

圖8 電機(jī)測(cè)試平臺(tái)與控制器

4 結(jié)語

本研究考慮基于霍爾傳感器永磁同步電機(jī)啟動(dòng)困難的問題，提出了低速方波電流啟動(dòng)，高速切換正弦波電流的方法，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了180°方波啟動(dòng)的可行性，在帶載情況下切換平滑，具有實(shí)用價(jià)值，并且具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭力。

圖9 三相霍爾信號(hào)與反電勢(shì)波形

圖10 啟動(dòng)過程電流波形、位置信息、霍爾信號(hào)

圖11 額定負(fù)載啟動(dòng)電流與位置信號(hào)波形

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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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。