李柏松，金辛海，胡志濤（上海新時(shí)達(dá)電氣股份有限公司，上海201801）

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一種無刷直流電機(jī)霍耳信號與定子繞組關(guān)系自學(xué)習(xí)方法

李柏松，金辛海，胡志濤
（上海新時(shí)達(dá)電氣股份有限公司，上海201801）

摘要：無刷直流電機(jī)工作所需的換相信號通常由霍耳傳感器提供，要控制無刷直流電機(jī)正常運(yùn)行，必須準(zhǔn)確獲知霍耳信號與定子繞組的關(guān)系。提出了一種無刷直流電機(jī)霍耳信號與定子繞組關(guān)系自學(xué)習(xí)方法，該方法通過不同的繞組通電組合將電機(jī)轉(zhuǎn)子依次轉(zhuǎn)到6個(gè)不同的位置并記錄對應(yīng)的霍耳信號，然后得出霍耳信號與定子繞組的對應(yīng)關(guān)系。所提出的方法快速準(zhǔn)確，且對霍耳傳感器安裝方式?jīng)]有要求，非常實(shí)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的正確性。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；霍耳信號；換相

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在電動(dòng)車輛、家用電器、紡織機(jī)械等領(lǐng)域都可以見到無刷直流電機(jī)的身影。無刷直流電機(jī)工作時(shí)，需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同來切換工作狀態(tài)?；舳鷤鞲衅鞒Ｓ脕頇z測無刷直流電機(jī)的換相位置，對于三相無刷直流電機(jī)，3個(gè)霍耳傳感器就可以將6個(gè)換相位置檢測出來。常用的霍耳傳感器安裝方式有120°安裝和60°安裝2種，2種方法都可以輸出6個(gè)不同的霍耳信號，分別對應(yīng)6個(gè)不同的區(qū)域，當(dāng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一區(qū)域時(shí)，對應(yīng)的繞組通電，電機(jī)就可以正常工作，若霍耳信號與繞組關(guān)系錯(cuò)誤，就無法正常工作，甚至?xí)﹄姍C(jī)或功率器件造成損壞。因此，確定霍耳信號與定子繞組關(guān)系對于無刷直流電機(jī)而言非常重要［1-5］。

已有一些文獻(xiàn)對如何確定霍耳信號與定子繞組關(guān)系進(jìn)行了研究，并提出了一些檢測方法。文獻(xiàn)［1］提出了區(qū)分無刷直流電機(jī)定子繞組、霍耳傳感器引腳的方法，但這種方法適用于霍耳傳感器的輸出為模擬量的情況，而無刷直流電機(jī)的霍耳傳感器大多輸出數(shù)字量。文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］根據(jù)線反電勢與換相信號的關(guān)系來判斷換相信號與繞組關(guān)系，文獻(xiàn)［2］使用DSP捕捉線反電勢過零點(diǎn)，而文獻(xiàn)［3］使用示波器來采集線反電勢波形，要獲得線反電勢，兩種方法都要借助外力使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。文獻(xiàn)［4］需要將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到特定位置，然后根據(jù)繞組通電情況判斷，實(shí)現(xiàn)不太方便。文獻(xiàn)［5］提出了一種無刷直流電機(jī)相序故障自恢復(fù)方法，但這種方法需提前獲知霍耳信號的安裝方式，即120°安裝還是60°安裝。

本文提出了一種無刷直流電機(jī)霍耳信號與定子繞組關(guān)系自學(xué)習(xí)方法，這種方法采用三三導(dǎo)通的方式將電機(jī)轉(zhuǎn)子依次轉(zhuǎn)到6個(gè)位置，并紀(jì)錄對應(yīng)的霍耳信號，以此來判斷繞組與霍耳信號關(guān)系。該方法無需提前獲知霍耳傳感器是120°安裝還是60°安裝，也無需借助外力使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，安全可靠，簡單易行，可以廣泛應(yīng)用于帶霍耳傳感器的無刷直流電機(jī)應(yīng)用場合，如電動(dòng)自行車、紡織機(jī)械等。

1　無刷直流電機(jī)原理

三相無刷直流電機(jī)常采用兩兩導(dǎo)通的方式工作，兩兩導(dǎo)通指任意時(shí)刻逆變器只有2只開關(guān)管開通。無刷直流電機(jī)需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來切換工作狀態(tài)，也就是說換相點(diǎn)是無刷直流電機(jī)正常工作必不可少的信息。圖1為三相無刷直流電機(jī)換相點(diǎn)示意圖，為便于理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對于三相無刷直流電機(jī)，每個(gè)電周期內(nèi)有6個(gè)不同的換相點(diǎn)，也就是說每個(gè)電周期內(nèi)電機(jī)換相6次。

圖1　無刷直流電機(jī)換相點(diǎn)示意圖Fig.1 Commutation signals of BLDC motors

霍耳傳感器常用來檢測無刷直流電機(jī)換相點(diǎn)。三相無刷直流電機(jī)需要3個(gè)霍耳傳感器來檢測6個(gè)不同的位置，霍耳傳感器的安裝有120°安裝和60°安裝2種方式，120°安裝指3個(gè)霍耳傳感器互差120°（電角度），而60°安裝指3個(gè)霍耳傳感器互差60°（電角度），2種安裝方法對應(yīng)霍耳傳感器的輸出信號如圖2所示，圖2中霍耳信號跳變的位置就是換相點(diǎn)。2種安裝方式最大的區(qū)別在于采用60°安裝時(shí)可以輸出“000”和“111”信號，而120°安裝則不會(huì)輸出這2個(gè)信號，通過這一點(diǎn)可以判斷霍耳傳感器的安裝方式。

圖2　霍耳傳感器輸出信號Fig.2 Output signals of hall sensors

不管采用哪種安裝方式，輸出的霍耳信號將每個(gè)電周期分為6個(gè)區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域時(shí)，特定的繞組通電，無刷直流電機(jī)即可正常運(yùn)行，若霍耳信號與繞組關(guān)系不準(zhǔn)確，電機(jī)將無法工作，甚至?xí)斐呻姍C(jī)或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機(jī)霍耳信號與繞組關(guān)系自學(xué)習(xí)方法。

2　霍耳信號與定子繞組關(guān)系自學(xué)習(xí)方法

三相無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩可以由下式來計(jì)算；

式中：ea，eb，ec為三相相反電勢；ia，ib，ic為三相相電流；ω為電機(jī)角速度。

空載時(shí)，在電機(jī)繞組中通以固定電流，電機(jī)轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到某一位置并停止，此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為零。圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳傳感器將電周期分成的6個(gè)區(qū)域，當(dāng)兩兩導(dǎo)通時(shí)，通電的兩相繞組電流大小相等，方向相反，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為零的點(diǎn)分布在各個(gè)區(qū)域的邊界上；當(dāng)采用三三導(dǎo)通時(shí)，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那么其它兩相電流為-I/2，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為零的點(diǎn)分布在各個(gè)區(qū)域的中間位置，如圖3所示。通過以上分析可以知道，要使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一個(gè)區(qū)域，采用三三導(dǎo)通的方法要比兩兩導(dǎo)通的方法更加合理。

圖3　繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子停止位置示意圖Fig.3 Standstill position when coils conducted

在某一個(gè)特定的區(qū)域，正常工作時(shí)需要通電的繞組是一定的，如圖3中的區(qū)域Ⅰ，兩兩導(dǎo)通時(shí)需A相和B相繞組通電，要想產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，A相繞組應(yīng)通正電流，B相繞組應(yīng)通負(fù)電流，記為“A+ B-”，要產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩則“B+A-”，其它區(qū)域內(nèi)繞組通電的情況如表1所示。如果電機(jī)采用三三導(dǎo)通方式工作，可以根據(jù)反電勢很容易地得出繞組通電情況，這里就不再列舉。

表1　兩兩導(dǎo)通工作時(shí)各區(qū)域通電情況Tab.1 Working phases in different sections when two phase conducted

如果能夠獲知各個(gè)區(qū)域內(nèi)霍耳信號的情況，就知道了霍耳信號與定子繞組的關(guān)系。按表2將電機(jī)轉(zhuǎn)子依次轉(zhuǎn)到6個(gè)區(qū)域的中間位置，紀(jì)錄此時(shí)的霍耳信號值，按照表1就可以得到霍耳信號與定子繞組關(guān)系。

表2　自學(xué)習(xí)時(shí)選用的通電組合Tab.2 Conducting phases when determining hall signals and stator coils relationship

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出的方法，特進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用無刷直流電機(jī)為380 V/28A，額定頻率為50 Hz。按“A-B+C+”給繞組通電，持續(xù)1 s后按“A-B-C+”通電，同樣持續(xù)1 s，此時(shí)轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到區(qū)域Ⅰ中間位置，記錄此時(shí)的霍耳傳感器信號，然后依次按“A+ B-C+”，“A+B-C-”，“A+B+C-”，“A-B+C-”，“A-B+ C+”通電，每個(gè)狀態(tài)持續(xù)1 s，并紀(jì)錄區(qū)域Ⅱ～Ⅵ對應(yīng)的霍耳信號。圖4為自學(xué)習(xí)時(shí)A相電流波形，為更加直觀地顯示霍耳信號與繞組關(guān)系，將霍耳信號和繞組組合進(jìn)行編碼，將其用1，2，3，4，5，6來表示，這樣就可以用示波器顯示出來，圖5即自學(xué)習(xí)完成后獲得的霍耳信號與繞組對應(yīng)關(guān)系。

圖4　自學(xué)習(xí)時(shí)A相電流波形Fig.4 Current waveform of fhase A when determining hall signals and stator coils relationship

按照自學(xué)習(xí)后獲得的霍耳信號與繞組對應(yīng)關(guān)系控制無刷直流電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)可以正常工作，說明自學(xué)習(xí)所得對應(yīng)關(guān)系是正確的，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流波形如圖6所示。

圖5　自學(xué)習(xí)獲得的霍耳信號與繞組關(guān)系Fig.5 The relationship between hall signals and stator coils

圖6　電機(jī)按自學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行運(yùn)行時(shí)的電流波形Fig.6 Current waveform when the BLDC motor worked according to the determined hall signals and stator coils relationship

4　結(jié)論

本文提出了一種無刷直流電機(jī)霍耳信號與定子繞組關(guān)系自學(xué)習(xí)方法，這種方法使用三三導(dǎo)通的方式將電機(jī)轉(zhuǎn)子依次轉(zhuǎn)到6個(gè)不同的區(qū)域，紀(jì)錄對應(yīng)的霍耳信號，依次獲得霍耳信號與定子繞組的對應(yīng)關(guān)系。這種方法對霍耳傳感器的安裝方式?jīng)]有要求，無論120°安裝還是60°安裝都適用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了本文提出方法的正確性，該方法可以快速準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)出無刷直流電機(jī)霍耳信號與定子繞組的關(guān)系，非常實(shí)用。

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Method to Determine the Relationship Between Hall Signals and Stator Coils of the BLDC Motors

LI Baisong，JIN Xinhai，HU Zhitao
（Shanghai STEP Electric Corporation，Shanghai 201801，China）

Abstract：The brushless direct current（BLDC）motors usually work with hall sensors providing the commutation signals. The relationship between hall signals and stator coils must be known to make sure that the BLDC motors can work well. A method determining the relationship between hall signals and stator coils was proposed. The rotor was moved to six different positions with the hall signals and the corresponding conduced stator coils being recorded，and the relationship with the hall signals and stator coils could be known. The proposed method could determine the relationship fast and convenient，and there was no specific requires for installation of the hall sensors. The experiment results verify the proposed method.

Key words：brushless direct current（BLDC）motor；hall signals；commutation

中圖分類號：TM351

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃：大功率電液器件及精密傳動(dòng)件關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范（2014BAF08B00）

作者簡介：李柏松（1987-），男，碩士，Email：libs@stepelevator.com

收稿日期：2015-09-15