霍尔传感器在无刷直流电机上的应用

刘吉超，李巴津，伍春生

(1 内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010000;2 江苏浩峰汽车附件有限公司，江苏常州213000)

0 引言

无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor，以下简称BLDCM)具有转矩输出特性好、依靠电子换相、使用寿命长等优点。BLDCM 的应用主要体现在控制方面，目前其控制方式主要有基于传感器控制方式以及无传感器控制方式。由于无传感器控制方式多处于研究和测试阶段，实际工况测试还存在问题，因此多数BLDCM 控制系统中采用有传感器的控制方式。该种控制方式易于实现，在实际应用中性能相对稳定。但是该种方式的输出效率取决于传感器安装位置是否准确。文献［1］中提供了几种常用的传感器安装方法，实际应用中发现通过绕组计算获得的安装角度与实际测量值误差比较大，直接安装式需要凭经验调整霍尔传感器位置，方法局限性比较大。因此提出了一种基于短时脉冲定位的霍尔传感器安装方法。实际应用发现，该种方法易于实现，便于工程运用，并且安装位置准确。

2 方法原理

2.1 霍尔传感器［2］工作原理

霍尔传感器是基于霍尔效应原理工作的，如图1 所示。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这个电势差也称霍尔电势差UH，见式(1)

式中，KH—霍尔灵敏度;I—是流过霍尔的电流;B—霍尔所处磁场的磁场强度。这样当霍尔处在N 极或者S 极的磁场中时就会产生两个数值相同极性相反的UH。在霍尔的应用中常把正值定义为数字量“1”，负值定义为数字量“0”，从而可以使霍尔在不同极性的磁场中输出不同的数字量。在BLDCM 控制中，一般将霍尔器件固定在定子或者机壳上，让其感应面处于转子的磁场中。由于转子是N 极和S 极交替均匀排列的，因此当转子转动时，处在交替变换磁场中的霍尔传感器就会产生不同的数字量。基于霍尔传感器控制的BLDCM 系统就是依靠这样的原理对电机实施控制的。

图1 霍尔传感器工作原理

2.2 BLDCM 换相原理［3］

图2 是电机本体的内部结构和通电状态，电机一个电周期内对应的需要有6 次通电状态。图3 给出的是一个电周期转子通电的矢量图，按图2 的通电顺序，分别设电源母线电压为Ubat，电机三相端电压分别为UA、UB、UC，分别加在空间上相差120°的平面坐标系上，又因为端电压随时间t 的改变而改变，因此定义端电压空间矢量为UA(t)、UB(t)、UC(t)它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间t 按正弦规律变化，且时间相位相差120°，则假设相电压有效值为Um，设f 为开关频率，则有

图2 电机本体和通电顺序

图3 电机换相矢量图

这样每次通电对应一个位置，按照一定的顺序通电，转子就可以对应图3 中6 个位置，这个过程就是转子换相。按照一定的时序给电周期性顺序加电，电机就可以转动起来了。

2.3 短时脉冲定位原理［3-5］

短时脉冲定位原理来源于电机换相原理。如图2、图3 和图4 所示，当给电机三相按标号1、2、3、4、5、6 情况通电时，依据式(2)、式(3)可知，电机会出现6 次动作。图3 中的位置1、2、3、4、5、6对应图4 中的换相点A、B、C、D、E、F。当给电机通MST1 到MST6 任意状态的电，只要通电处和转子的初始位置夹角不等于0°或180°，转子就会停在相应的位置区间内。例如当给电机按MST2 通电时，电机转子会停在60°到120°区间的任何一个位置上，图4 标记为a 点。如图5 所示，以4 对极电机为例，转子的电角度和机械角度的关系是θE/θM=4，其中θE是电角度，θM是机械角度，此时电角度360°对应机械角度90°。这样给电机一定的占空比值和执行时间，按照电机电周期6 次通电顺序后，电机转子就可以在相应区间位置停留，此时也称短时脉冲定位。当三个霍尔传感器按照60°或者120°安装时，6 个位置就会出现6 组霍尔信号组，每组由3 个霍尔信号组成。

图4 一个电周期电机换相情况

图5 短时脉冲定位原理

2.4 霍尔位置确定原理

依据短时脉冲定位原理，如图4 所示。当给电机按MST2 状态通电时，转子在电磁力作用下会被拉至60°到120°之间的任何一个位置，假如此时电机被拉至a 点处，霍尔传感器会输出一组霍尔信号。按照换相原理，只有当转子在图4 所示的换相点位置换相时电机的效率才是最高的，换相位置是最佳的。虽然此时电机按MST2 通电，但转子的位置却并非恰好在换相点A 处，而是存在一定的角度偏差，即α 和β。如果此时在a 点处进行下一次换相，而不是在B 点处换相，电机就会出现换相超前。因此，虽然电机停在a 处，输出一组霍尔信号，但是要对α 和β 进行相应的调整。目前由于还没有有效的方法计算这两个值，因此首先确定a 点后，观测相应的霍尔信号，然后按照相反方向转动霍尔位置，直至霍尔信号发生跳变，此时α 为0°，也就是α 点恰好和换相点A 重合;β 为60°，也就是距离下一次换相点B滞后60°。此时与a 点对应的霍尔信号就是换相点A 对应的霍尔信号，且α 为0°时的霍尔传感器位置就是霍尔传感器的安装位置。

3 实现过程

硬件原理图如图6、图7 及图8 所示，以5 对极转子为例确定霍尔位置。虽然霍尔信号是周期性变化的，但是如果霍尔传感器安装位置不准确，会导致换相提前或滞后，严重影响电机的输出效率。下面详细介绍本方法的实现过程，按照表1 通电顺序给电机通电，执行占空比选择0.1，执行时间为5ms。短时脉冲流程见图9。

表1 电机三相通电顺序

图6 霍尔传感器电路

图7 电源供电电路

图8 系统控制电路

图9 短时脉冲流程图

实现步骤如下:

(1)首先按照图9 的短时脉冲算法，按照给定的占空比和执行时间，执行0°～60°的通电顺序，若电机不转，则稍微转动转子，直到转子转动到指定位置停止，此时标记为位置1。

(2)按照这样的方法执行下面5 个区间的通电顺序，标记为位置2、3、4、5、6。

(3)计算3 个霍尔传感器的相对安装角度，霍尔传感器可以按照60°电角度间隔也可以按照120°电角度间隔;若选择前者，则实际霍尔安装相对角度为60°/5=12°;若选择后者，则实际霍尔安装相对角度为120°/5=24°。

(4)将固定好相对角度的霍尔传感器放置于磁场中，将转子定于第1 个位置处，此时测试得到一组霍尔信号，然后稍微向相反方向转动霍尔传感器，直至位置1 处的霍尔信号出现跳变为止，此时霍尔传感器的位置为换相点处，固定此时霍尔传感器的位置，此位置就为霍尔传感器的安装位置。

(5)固定好霍尔传感器后，按位置1、2、3、4、5、6 的旋转顺序观测霍尔信号的变化，记录相应位置的霍尔信号，此信号即为6 次换相时的霍尔信号。

4 试验结果分析

霍尔传感器之间角度选择60°电角度，这样实际在安装的过程中三个霍尔之间机械角度相差12°，DSP 芯片PWM 模块为8 位，最大占空比255，执行下面的程序。

executePositioning(STATE_x，dc，t);//执行状态x，占空比为dc，执行时间t

其中，执行函数为

void executePositioning(int mst)

{

MDC =25; //设置PWM 定位执行占空比25/255

switch(mst)

{

case MOTOR_STATE_1:

IOCON3 =0xC000;//A 相高电平

IOCON2 =0xC380;//B 相低电平

IOCON1 =0xC300;//C 相悬空端

break;

case MOTOR_STATE_2:

IOCON3 =0xC380;//A 相高电平

IOCON2 =0xC300;//B 相悬空端

IOCON1 =0xC000;//C 相低电平

break;

case MOTOR_STATE_3:

IOCON3 =0xC380;//A 相悬空端

IOCON2 =0xC000;//B 相高电平

IOCON1 =0xC300;//C 相低电平

break;

case MOTOR_STATE_4:

IOCON3 =0xC300;//A 相低电平

IOCON2 =0xC000;//B 相高电平

IOCON1 =0xC380;//C 相悬空端

break;

case MOTOR_STATE_5:

IOCON3 =0xC000;//A 相低电平

IOCON2 =0xC300;//B 相悬空端

IOCON1 =0xC380;//C 相高电平

break;

case MOTOR_STATE_6:

IOCON3 =0xC000;//A 相悬空端

IOCON2 =0xC380;//B 相低电平

IOCON1 =0xC300;//C 相高电平

break;

}

Delayns_rotorposition(5000);//转子定位的必要延时}

这样测得的霍尔信号如图10 所示。

图10 一个电周期霍尔信号

由于三个霍尔之间采用60°电角度隔开，因此理论上8 组信号只有6 组为有效信号。从图中看出，当一个电周期完成后，下一个阶段又从011信号开始。

通过上述的霍尔信号做成换相表，给电机通电，测得的三相反电动势如图11 所示。从图中看出，虽然此时霍尔信号对应的换相顺序是对的，但是换相点并不是霍尔信号的跳变点，也就说霍尔位置此时不是最佳位置，每一个状态都存在提前换相，影响电机的效率。按上述方法对霍尔传感器位置进行相应的修正后，得到图12 的波形。从图中可以看出三相的反电动势波形得到了很大程度的修正，并且霍尔信号的跳变点恰好在换相位置，从而证明此种方法可以有效地实现霍尔传感器位置的准确安装。

图11 电机反电动势波形

图12 修正后的反电动势波形

5 结语

通过以上理论分析和实验数据表明，短时脉冲定位法可以有效地得出霍尔信号，并且可以根据位置信息得到霍尔的准确安装位置。方法实现过程简单，易于工程应用，可以为基于霍尔传感器控制的BLDCM 系统提供一种有效的寻找霍尔位置的途径。

［1］ 黄海.永磁无刷直流电机霍尔位置传感器的安装.船电技术［J］，2009，09.

［2］ 张玮，张凤登.基于霍尔传感器的车载电动机实时处理系统［J］.传感器与微系统，2013，03.［3］ 刘吉超，李巴津，叶文伟，等.新型汽车空调用无刷直流鼓风机控制算法设计.微电机，2013，02.

［4］ 林明耀，刘文勇，周谷庆.无位置传感器无刷直流电机短时脉冲定位加速方法［J］.电工技术学报，2011，09.

［5］ Hang Yenchuan，Tzou Yingyu.A new sensorless starting method for brushless DC motors without reversing rotation［C］. Power Electronics Specialists Conference，Orlando，USA，2007:619-624.

［6］ Kim T，Lee H W，Ehsani M. Position sensorless brushless DC motor/generator drives:review and future trends［J］. IET Electric Power Applications，2007，1(7):557-564.