霍爾傳感器實(shí)時(shí)自動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪遠(yuǎn)銀，岳彩銳，李真山，姜麗婷，田艷全

( 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100010)

0 引言

在三相無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中,常常通過霍爾傳感器為控制器提供電子換相所需的換相點(diǎn)信號(hào)。根據(jù)霍爾傳感器的輸出信號(hào)，給相對(duì)應(yīng)的相序通電，便可控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。該種控制方式易于實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中性能也相對(duì)穩(wěn)定?；魻杺鞲衅饕话銜?huì)按照一定的距離固定在電動(dòng)機(jī)定子上的某一圓周上，其安裝位置與電機(jī)的三相繞組的分布位置有關(guān)。如果霍爾傳感器的安裝位置出現(xiàn)偏差，則會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行效率以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)造成很大的影響[1]，因此找到準(zhǔn)確的霍爾傳感器的安裝位置非常重要。目前比較常用的安裝定位法有磁勢(shì)計(jì)算法[2]、直接安裝法[3-5]和短時(shí)脈沖定位法[6-7]。磁勢(shì)計(jì)算法需要對(duì)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)知識(shí)有一定的了解，且這種方式計(jì)算的角度易于受到工藝以及加工精度的影響，所計(jì)算的結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，如果處理不當(dāng)將影響電機(jī)效率。直接安裝法需要憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整霍爾傳感器位置，方法局限性比較大。短時(shí)脈沖定位法方法簡(jiǎn)單，但是需要提前確定正確的相序以及相序與霍爾傳感器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且人工調(diào)整工作量大。針對(duì)傳統(tǒng)定位方法的缺點(diǎn)，本文針對(duì)三相無(wú)刷直流電機(jī)開發(fā)了一個(gè)全自動(dòng)的霍爾傳感器安裝定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，借助該系統(tǒng)，沒有相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)的操作人員也可輕松實(shí)現(xiàn)高精度的霍爾傳感器安裝。

1 定位原理

研究三相無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾傳感器安裝位置主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是各個(gè)霍爾傳感器之間的位置關(guān)系，即它們之間夾角大小; 另一個(gè)是霍爾傳感器與各相繞組之間的相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)于第一個(gè)問題，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。對(duì)于三相電機(jī)而言，其機(jī)械夾角為120°/p(其中p為電機(jī)極對(duì)數(shù))。因此，關(guān)鍵是如何確定霍爾傳感器與各相繞組之間的位置關(guān)系。三個(gè)霍爾傳感器的位置關(guān)系確定后，只需找到一個(gè)霍爾傳感器的擺放位置，其他霍爾傳感器的位置也就確定了，這里選擇確定第一個(gè)霍爾傳感器的HA的位置。在不影響分析的前提下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定氣隙磁場(chǎng)恒定且按正弦分布，繞組中電流為恒定值，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[8]：

T(α)=W·B·D·L·I·sinα

(1)

式中，W為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù);B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為電樞直徑;L為導(dǎo)體有效長(zhǎng)度。以A+B-狀態(tài)為例分析此狀態(tài)下繞組的合成轉(zhuǎn)矩:

TP(α)=Ta(α)+Tb(α)

(2)

設(shè)A相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)α處進(jìn)入A+B-狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)維持了π/3 電角度[9]，即在αx～ (αx+π/3)電角度內(nèi)A相繞組正向?qū)?，B相繞組反向?qū)?。由?2)可得，此過程中的平均電磁轉(zhuǎn)矩為:

(3)

(4)

(5)

通過求解得出在αx=30°時(shí)，平均電磁轉(zhuǎn)矩Tav為最大值。即在A相繞組反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)后的30°的位置進(jìn)行換相進(jìn)入A+B-狀態(tài)，此時(shí)所得到的平均電磁轉(zhuǎn)矩最大。因此霍爾傳感器的理想換向位置應(yīng)當(dāng)在所對(duì)應(yīng)繞組的相反電勢(shì)過零點(diǎn)后30°的位置。由于線反電勢(shì)超前相反電勢(shì)30°，故HA、HB、HC三個(gè)霍爾傳感器理想的安裝位置為與之對(duì)應(yīng)的三個(gè)線反電勢(shì)的過零點(diǎn)，即霍爾傳感器HA的上升沿應(yīng)該與eAC線反電勢(shì)的正向過零點(diǎn)重合，如圖1所示。霍爾傳感器HB的上升沿應(yīng)該與eBA線反電勢(shì)的正向過零點(diǎn)重合，霍爾傳感器HC的上升沿應(yīng)該與eCB線反電勢(shì)的正向過零點(diǎn)重合。

圖1 霍爾跳變沿與線反電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

假設(shè)霍爾傳感器的安裝位置與理想安裝位置的機(jī)械角度偏差為θ1，霍爾信號(hào)的上跳變沿與該霍爾傳感器信號(hào)所對(duì)應(yīng)的線反電勢(shì)的正向過零點(diǎn)之間偏差電角度為θ2，則這兩個(gè)偏差之間的關(guān)系為θ1=θ2/p,其中p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。因此只要求得兩個(gè)信號(hào)的過零點(diǎn)的偏差即可確定霍爾傳感器的正確安裝位置。

2 系統(tǒng)組成

該自動(dòng)定位系統(tǒng)的原理如圖2所示，主要包括一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)和一個(gè)六通道的數(shù)據(jù)采集模塊，兩者通過USB接口相連，數(shù)據(jù)采集模塊用于對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中電機(jī)的三相反電勢(shì)及三路霍爾模擬輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和采集，計(jì)算機(jī)通過對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理得出霍爾信號(hào)和與之對(duì)應(yīng)的線反電勢(shì)的過零點(diǎn)，從而得出霍爾傳感器的安裝位置。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)定位系統(tǒng)利用LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能流程圖如圖3所示。

圖3 軟件功能圖

軟件系統(tǒng)首先對(duì)幾路模擬信號(hào)進(jìn)行采集，然后對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行過零點(diǎn)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行位置計(jì)算后實(shí)時(shí)顯示。其軟件部分主要包括兩部分的內(nèi)容，一個(gè)是AD采集，一個(gè)是信號(hào)的過零點(diǎn)檢測(cè)。對(duì)于AD采集部分，如果選用NI公司的采集模塊則數(shù)據(jù)采集部分將變得十分簡(jiǎn)單，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW對(duì)NI公司的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下可以很輕松地對(duì)其數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行操作。如果選用其他公司的采集模塊，用戶只需在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下調(diào)用采集模塊所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)對(duì)其操作即可。因此該定位系統(tǒng)的核心為信號(hào)的過零點(diǎn)檢測(cè)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，過零檢測(cè)算法采用傳統(tǒng)過零檢測(cè)方法[10-11]。該檢測(cè)方法過程簡(jiǎn)單，誤檢率低。但是在測(cè)試過程中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，電機(jī)的線反電勢(shì)較低，很容易在0電位附近震蕩，從而造成誤檢測(cè)。為解決此問題，在傳統(tǒng)過零檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，增加了兩個(gè)高低電平參考電壓作為判斷依據(jù)，其中高電平參考電壓作為被測(cè)信號(hào)的正向參考點(diǎn)，低電平參考電壓作為被測(cè)信號(hào)的負(fù)向參考點(diǎn)。具體流程如圖4所示。試驗(yàn)證明經(jīng)過改進(jìn)后誤檢率明顯降低。采用信號(hào)頻率為200 Hz、幅值為10 V的正弦信號(hào)，并在該信號(hào)中注入幅值為0.5 V的隨機(jī)白噪聲，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，過零檢測(cè)算法能夠很好地檢測(cè)出過零點(diǎn)，證明經(jīng)過改進(jìn)后的檢測(cè)算法能夠有效解決信號(hào)在零點(diǎn)附近震蕩而造成的過零點(diǎn)誤檢測(cè)問題。

圖4 過零檢測(cè)改進(jìn)算法流程圖

圖5 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)的主界面如圖6所示，電機(jī)在外力的作用下旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示所采集的線反電勢(shì)與霍爾信號(hào)的波形，并能根據(jù)這些波形直接計(jì)算出當(dāng)前霍爾傳感器的安裝偏差。

圖6 系統(tǒng)主界面

4 系統(tǒng)應(yīng)用

在某次測(cè)試過程中，如圖6所示，系統(tǒng)所計(jì)算的當(dāng)前霍爾傳感器的安裝誤差為5.06°，圖7為霍爾傳感器在安裝誤差為5.06°時(shí)，電機(jī)在空載時(shí)轉(zhuǎn)速為1 000轉(zhuǎn)/分的某一時(shí)刻的相電流波形，從A相電流的波形可以看出，由于霍爾傳感器的安裝誤差，造成控制驅(qū)動(dòng)器在錯(cuò)誤的換向點(diǎn)進(jìn)行換向，從而使得相電流有很多畸變，且電流波形正負(fù)向不對(duì)稱，大大降低了系統(tǒng)控制效率。

按照自動(dòng)定位系統(tǒng)給出的誤差角度對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行調(diào)整后，在同樣的測(cè)試條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)出的相電流波形如圖8所示。

圖8 調(diào)整后的相電流波形

可見采用自動(dòng)定位系統(tǒng)給出的結(jié)果調(diào)整霍爾傳感器后，相電流變成了規(guī)則的方波電流，電流畸變大幅降低，電流正負(fù)特性完全一致，電機(jī)運(yùn)行噪聲大幅降低，調(diào)整后，霍爾傳感器的安裝位置完全正確。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一臺(tái)普通的數(shù)據(jù)采集模塊和一臺(tái)計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)高精度的霍爾板安裝定位，成本低廉且維護(hù)方便。該系統(tǒng)對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)及工程經(jīng)驗(yàn)要求低，非專業(yè)人員利用該系統(tǒng)也可輕松實(shí)現(xiàn)高精度的安裝定位，擺脫了人工確定相序的繁瑣工作，大大提高了安裝效率。