基于梯形波反電動(dòng)勢(shì)的BLDCM霍爾位置矯正策略

劉建林 馮垚徑 羅德榮 施大發(fā)

摘 要：主要闡述了一種無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）的霍爾傳感器位置在線矯正策略.傳統(tǒng)的BLDCM的霍爾傳感器的矯正方式多為直接在電機(jī)本體上移動(dòng)霍爾傳感器，這種方式需要拆卸電機(jī)，因而在電機(jī)調(diào)試過(guò)程中是相當(dāng)復(fù)雜的.本文主要通過(guò)母線電壓和母線電流來(lái)獲取電機(jī)換相過(guò)程的時(shí)間，確定霍爾位置傳感器的最優(yōu)超前角，達(dá)到在線修正霍爾位置的目的.最后以含3個(gè)霍爾位置傳感器的三相兩導(dǎo)通模式的BLDCM為仿真對(duì)象，并通過(guò)Matlab仿真平臺(tái)對(duì)所提出策略加以驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明該策略能夠有效地在線修正霍爾位置偏移角，使得電機(jī)的相電流趨于平穩(wěn)并達(dá)到正常運(yùn)行模式，最后證實(shí)了方案的可行性與有效性.

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；霍爾傳感器；梯形波反電動(dòng)勢(shì)；換相時(shí)間；最優(yōu)超前角

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：This paper proposed a position compensation method for brushless DC motors with trapezodial backEMFs. The conventional compensation method of Hall sensors is very complex because of its moving hall sensors on motor body .In this paper， the bus voltage and bus current were used to obtain the commutation time of the BLDC motor， and the optimal advance angle of Hall sensors was determined to achieve the purpose of correcting the Hall position. Finally， the simulation results based on BLDCM with three Hall sensors in the threephase twoconduction mode effectively and reasonably verify that the proposed methods can modify deviation angle of Hall sensors， make the phase current stable and run up to normal operation mode through the Matlab simulation platform，which validates the feasibility and effectiveness of the proposed strategies.

Key words：brushless DC motors；Hall sensors；trapezodial backEMFs；commutation time；optimal advanced angle

無(wú)刷直流電機(jī)因其體積小、控制簡(jiǎn)單、效率高、能量密度大、噪音小、成本低以及硬件條件實(shí)現(xiàn)容易而廣泛運(yùn)用于車輛、家用電器、機(jī)器人、風(fēng)扇以及無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域的工業(yè)實(shí)踐中[1-3]，因而無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)于大型永磁同步電機(jī)要容易得多.由于無(wú)刷直流電機(jī)本身固有的優(yōu)勢(shì)，各類生產(chǎn)與科研對(duì)其需求也是與日俱增.傳統(tǒng)的關(guān)于無(wú)刷直流電機(jī)的理想梯形波反電動(dòng)勢(shì)與理想霍爾位置信號(hào)的研究，都取得了較好的成果[4].然而，由于安裝精度的問(wèn)題，霍爾位置信號(hào)在實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)誤差，這些位置誤差信號(hào)將會(huì)加劇電流脈動(dòng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及噪音等[5-6].特別的，對(duì)于多極電機(jī)和小型電機(jī)，霍爾位置信號(hào)的誤差將會(huì)更嚴(yán)重.

基于此，一種無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器策略得以提出，由于該策略不需要安裝霍爾傳感器，因而霍爾位置誤差這一類問(wèn)題也不會(huì)存在.無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器策略可以分為反電動(dòng)勢(shì)電壓觀測(cè)策略[7-9]、反電動(dòng)勢(shì)積分策略[10]、磁鏈估算[11]、以及續(xù)流二極管導(dǎo)通的檢測(cè)[12].盡管無(wú)位置傳感器策略能有效避免霍爾位置誤差信號(hào)的產(chǎn)生，但是在全速范圍內(nèi)，尤其是低速范圍內(nèi)，這些策略的效果并不理想.一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的無(wú)位置傳感器策略在實(shí)踐過(guò)程中能達(dá)到的最低速度接近額定轉(zhuǎn)速的10%[13].因此，無(wú)位置傳感器控制策略在低速范圍的劣勢(shì)還有待解決，此外，由于其本身控制策略的特性，初始啟動(dòng)控制方案也需要解決.

由于存在諸多問(wèn)題，帶有霍爾位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)依舊廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)實(shí)踐中，例如：通風(fēng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、空氣清潔器、手電鉆、水泵、燃油泵、冷卻風(fēng)扇等等.

針對(duì)霍爾位置信號(hào)的誤差這一類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了一定的研究.文獻(xiàn)[5]提出一種有效策略，能將無(wú)刷直流電機(jī)加速和減速過(guò)程中的位置誤差有效減小，并最終取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，然而該策略并不能解決霍爾傳感器的安裝誤差問(wèn)題.文獻(xiàn)[1415]中的研究提出超前角度計(jì)算方法，在文獻(xiàn)[14]中假定反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形波，并且在超前角度計(jì)算過(guò)程中需要相電流，因而此種方法在無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用很復(fù)雜；文獻(xiàn)[15]提出一種基于電機(jī)轉(zhuǎn)速的相位提前的等效電路，其在高速環(huán)境中應(yīng)用簡(jiǎn)單并且高效，該方案的不足之處在于，所提出的等效電路的設(shè)計(jì)對(duì)于全速范圍以及不恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下還是很困難的.

本文提出了帶有梯形波反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和相電流動(dòng)態(tài)分析以及對(duì)霍爾傳感器位置誤差的補(bǔ)償修正.通過(guò)對(duì)帶有霍爾位置誤差的梯形波反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)分析，提出一種通過(guò)利用霍爾信號(hào)、母線電壓、以及母線電流在線修正超前導(dǎo)通角的策略，該方案能有效提高帶有霍爾傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)的性能，尤其是能減小電流脈動(dòng).

1 霍爾傳感器誤差修正策略

BLDCM系統(tǒng)主要由直流電源、逆變器以及無(wú)刷直流電機(jī)等組成，BLDCM的等效電路如圖1所示.

圖8為仿真實(shí)驗(yàn)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形，圖9（a）和圖9（b）分別為霍爾位置修正之前的霍爾信號(hào)與相電流波形.圖9（a）中由于存在霍爾機(jī)械位置誤差，實(shí)驗(yàn)得到的霍爾信號(hào)也是不規(guī)則的.圖9（b）為未應(yīng)用在線修正策略實(shí)際相電流波形，很明顯，霍爾位置紊亂的情況下，電機(jī)相電流波形也會(huì)有較大波動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)行.圖10（a）和圖10（b）分別為霍爾位置修正之后的霍爾信號(hào)與相電流波形.圖10（a）中由于存在霍爾機(jī)械位置誤差，實(shí)驗(yàn)得到的霍爾信號(hào)同樣也是不規(guī)則的.圖10（b）為已經(jīng)應(yīng)用在線修正策略實(shí)際相電流波形，通過(guò)對(duì)比圖9（b）與10（b），能夠很容易得到：運(yùn)用本文所提修正策略之后的相電流波形變得很平穩(wěn)，不像未修正之前（圖9（b））那樣相電流脈動(dòng)很大.因此，該仿真可以證明，盡管霍爾信號(hào)沒(méi)有在理想位置，相電流波形依然能夠恢復(fù)正常，證明了該在線修正策略的有效性.

4 結(jié) 論

本文提出一種帶有梯形波反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾位置傳感器位置偏移條件下的霍爾位置在線超前角調(diào)節(jié)策略.該方案通過(guò)霍爾傳感器信號(hào)的修正策略去平衡換相扇區(qū)的時(shí)間間隔，以估算出平衡的轉(zhuǎn)子位置，不需要額外的參數(shù)，只需要獲得直流母線電壓與電流，便可以實(shí)現(xiàn)提出的位置修正策略.通過(guò)在Matlab仿真平臺(tái)驗(yàn)證該控制策略，使得目標(biāo)無(wú)刷直流電機(jī)能最優(yōu)運(yùn)行，該仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)得相電流與反電動(dòng)勢(shì)波形都能與理想波形完美重合.仿真結(jié)果表明無(wú)刷直流電機(jī)在最大效率運(yùn)行條件下都具有很理想的響應(yīng)速度與效果.仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所提出的在線超前角調(diào)節(jié)策略可行性良好.

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