霍尔传感器实时自动定位系统设计

汪远银，岳彩锐，李真山，姜丽婷，田艳全

( 北京精密机电控制设备研究所，北京 100010)

0 引言

在三相无刷电机的驱动控制中,常常通过霍尔传感器为控制器提供电子换相所需的换相点信号。根据霍尔传感器的输出信号，给相对应的相序通电，便可控制电机旋转。该种控制方式易于实现，在实际应用中性能也相对稳定。霍尔传感器一般会按照一定的距离固定在电动机定子上的某一圆周上，其安装位置与电机的三相绕组的分布位置有关。如果霍尔传感器的安装位置出现偏差，则会对电机的运行效率以及转矩脉动造成很大的影响[1]，因此找到准确的霍尔传感器的安装位置非常重要。目前比较常用的安装定位法有磁势计算法[2]、直接安装法[3-5]和短时脉冲定位法[6-7]。磁势计算法需要对电机内部结构及相关知识有一定的了解，且这种方式计算的角度易于受到工艺以及加工精度的影响，所计算的结果会存在一定的误差，如果处理不当将影响电机效率。直接安装法需要凭经验调整霍尔传感器位置，方法局限性比较大。短时脉冲定位法方法简单，但是需要提前确定正确的相序以及相序与霍尔传感器之间的对应关系，且人工调整工作量大。针对传统定位方法的缺点，本文针对三相无刷直流电机开发了一个全自动的霍尔传感器安装定位系统，该系统结构简单，使用方便，借助该系统，没有相关工程经验的操作人员也可轻松实现高精度的霍尔传感器安装。

1 定位原理

研究三相无刷直流电机的霍尔传感器安装位置主要包括两个方面的内容:一是各个霍尔传感器之间的位置关系，即它们之间夹角大小; 另一个是霍尔传感器与各相绕组之间的相对位置关系。对于第一个问题，相对比较简单。对于三相电机而言，其机械夹角为120°/p(其中p为电机极对数)。因此，关键是如何确定霍尔传感器与各相绕组之间的位置关系。三个霍尔传感器的位置关系确定后，只需找到一个霍尔传感器的摆放位置，其他霍尔传感器的位置也就确定了，这里选择确定第一个霍尔传感器的HA的位置。在不影响分析的前提下，为简化计算，假定气隙磁场恒定且按正弦分布，绕组中电流为恒定值，则电机转矩的数学表达式为[8]：

T(α)=W·B·D·L·I·sinα

(1)

式中，W为电枢绕组每相串联匝数;B为磁感应强度；D为电枢直径;L为导体有效长度。以A+B-状态为例分析此状态下绕组的合成转矩:

TP(α)=Ta(α)+Tb(α)

(2)

设A相反电动势过零点α处进入A+B-状态，这个状态维持了π/3 电角度[9]，即在αx～ (αx+π/3)电角度内A相绕组正向导通，B相绕组反向导通。由式(2)可得，此过程中的平均电磁转矩为:

(3)

(4)

(5)

通过求解得出在αx=30°时，平均电磁转矩Tav为最大值。即在A相绕组反电动势过零点后的30°的位置进行换相进入A+B-状态，此时所得到的平均电磁转矩最大。因此霍尔传感器的理想换向位置应当在所对应绕组的相反电势过零点后30°的位置。由于线反电势超前相反电势30°，故HA、HB、HC三个霍尔传感器理想的安装位置为与之对应的三个线反电势的过零点，即霍尔传感器HA的上升沿应该与eAC线反电势的正向过零点重合，如图1所示。霍尔传感器HB的上升沿应该与eBA线反电势的正向过零点重合，霍尔传感器HC的上升沿应该与eCB线反电势的正向过零点重合。

图1 霍尔跳变沿与线反电势的对应关系

假设霍尔传感器的安装位置与理想安装位置的机械角度偏差为θ1，霍尔信号的上跳变沿与该霍尔传感器信号所对应的线反电势的正向过零点之间偏差电角度为θ2，则这两个偏差之间的关系为θ1=θ2/p,其中p为电机的极对数。因此只要求得两个信号的过零点的偏差即可确定霍尔传感器的正确安装位置。

2 系统组成

该自动定位系统的原理如图2所示，主要包括一台普通的计算机和一个六通道的数据采集模块，两者通过USB接口相连，数据采集模块用于对电机旋转过程中电机的三相反电势及三路霍尔模拟输出信号进行调理和采集，计算机通过对所采集的信号进行分析和处理得出霍尔信号和与之对应的线反电势的过零点，从而得出霍尔传感器的安装位置。

图2 系统结构图

3 系统软件设计

自动定位系统利用LabVIEW为开发平台进行设计，其功能流程图如图3所示。

图3 软件功能图

软件系统首先对几路模拟信号进行采集，然后对所采集的信号进行过零点检测，根据检测的结果进行位置计算后实时显示。其软件部分主要包括两部分的内容，一个是AD采集，一个是信号的过零点检测。对于AD采集部分，如果选用NI公司的采集模块则数据采集部分将变得十分简单，因为LabVIEW对NI公司的硬件设备实现了无缝对接，在LabVIEW开发环境下可以很轻松地对其数据采集模块进行操作。如果选用其他公司的采集模块，用户只需在LabVIEW开发环境下调用采集模块所对应的动态链接库对其操作即可。因此该定位系统的核心为信号的过零点检测。通过查阅相关文献，过零检测算法采用传统过零检测方法[10-11]。该检测方法过程简单，误检率低。但是在测试过程中，当电机转速过低时，电机的线反电势较低，很容易在0电位附近震荡，从而造成误检测。为解决此问题，在传统过零检测方法的基础上，增加了两个高低电平参考电压作为判断依据，其中高电平参考电压作为被测信号的正向参考点，低电平参考电压作为被测信号的负向参考点。具体流程如图4所示。试验证明经过改进后误检率明显降低。采用信号频率为200 Hz、幅值为10 V的正弦信号，并在该信号中注入幅值为0.5 V的随机白噪声，测试结果如图5所示，过零检测算法能够很好地检测出过零点，证明经过改进后的检测算法能够有效解决信号在零点附近震荡而造成的过零点误检测问题。

图4 过零检测改进算法流程图

图5 测试结果

系统的主界面如图6所示，电机在外力的作用下旋转，系统能够实时显示所采集的线反电势与霍尔信号的波形，并能根据这些波形直接计算出当前霍尔传感器的安装偏差。

图6 系统主界面

4 系统应用

在某次测试过程中，如图6所示，系统所计算的当前霍尔传感器的安装误差为5.06°，图7为霍尔传感器在安装误差为5.06°时，电机在空载时转速为1 000转/分的某一时刻的相电流波形，从A相电流的波形可以看出，由于霍尔传感器的安装误差，造成控制驱动器在错误的换向点进行换向，从而使得相电流有很多畸变，且电流波形正负向不对称，大大降低了系统控制效率。

按照自动定位系统给出的误差角度对霍尔传感器进行调整后，在同样的测试条件下进行测试，测出的相电流波形如图8所示。

图8 调整后的相电流波形

可见采用自动定位系统给出的结果调整霍尔传感器后，相电流变成了规则的方波电流，电流畸变大幅降低，电流正负特性完全一致，电机运行噪声大幅降低，调整后，霍尔传感器的安装位置完全正确。

5 结论

本文设计的自动定位系统结构简单，只需一台普通的数据采集模块和一台计算机即可实现高精度的霍尔板安装定位，成本低廉且维护方便。该系统对相关专业知识及工程经验要求低，非专业人员利用该系统也可轻松实现高精度的安装定位，摆脱了人工确定相序的繁琐工作，大大提高了安装效率。