基于霍尔元件的矿用无刷直流电机控制系统设计

徐洋

【摘要】 为了实现矿用无刷直流电机的可靠控制，本文在分析无刷直流电机原理和位置传感器作用的基础上，设计矿用无刷直流电机控制系统，重点设计控制系统整体结构、位置检测电路和电流检测电路，详细分析电路的工作原理，所设计的控制系统可以按照预计要求完成对矿用无刷直流电机进行可靠控制。

【关键词】 煤矿 电机 转子 位置检测

永磁无刷直流电机除了保留了有刷直流电机起动转距大、调速范围宽等优良性能，其最大特点是无传统换向器和电刷组成的机械换向结构，因此具有结构简单、使用寿命长、可控性强和稳定性好等优点。

随着电机学、现代控制理论和电力电子技术的进步及低成本永磁材料的出现，永磁无刷直流电机获得前所未有的发展，并在能源、汽车、航空和高精度机床等领域获得广泛应用。煤矿生产和运输过程中，对于动力设备的依赖性很大，矿井电能最终消耗主要是通过电机将电能转换为机械能，可见电机是煤矿井下运用较多的电气设备。永磁无刷直流电机凭借其优越的性能，在煤矿井下安全生产、提升运输及输电变电等领域具有广阔的应用空间。

一、无刷直流电机和位置传感器

矿用无刷直流电机与传统有刷直流电机在电磁结构上相同，但它在定子上缠绕电枢绕组，转子上安装径向充磁的稀土永磁材料，定子上的电枢绕组采用典型三相星型缠绕方式，直流电源经过逆变器与绕组相连，采用转子位置传感器取代传统电刷和机械换向器组成的换向结构。根据绕组通电与逆变器内的功率管之间关系对功率管进行合理控制，电机气隙中产生跳跃的旋转磁场与永磁体的磁场相互作用产生电磁转矩，根据转子位置改变绕组通电方式，使电磁场方向与永磁体磁场方向始终相反，保证具有持续的转矩驱动矿用永磁无刷直流电机连续运转。

位置传感器在矿用无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，即实现将转子磁极的位置信号转换成电信号，经过信号处理电路发送给处理器，处理器根据电机转子位置控制定子绕组的导通顺序。为了保证电机具有持续的转矩，功率开关的导通顺序必须和转子转角同步，所以位置传感器与功率开关起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相相似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为直接式和间接式，其中直接式位置传感器以其检测精度高和可靠性好等优点而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有光电式、电磁式、磁敏式和接近开关式。

二、矿用无刷直流电机控制系统硬件电路设计

在本文设计矿用无刷直流电机控制系统中，采用TI公司电机控制专用芯片TMS320LF2407A为核心，该DSP内部集成了很多电机控制专用的外围电路，减少了系统部分硬件电路设计，特别适合矿用无刷直流电机控制。

图1为矿用无刷直流电机控制系统结构图，控制系统由DSP、操作面板、转子位置及转速检测电路、MOSFET驱动电路、MOSFET、电流检测电路、过流保护电路、显示屏和控制对象矿用无刷直流电机组成，其中DSP用于采集数据和发送动作指令，捕捉转子位置及转速检测电路的脉冲信号，判断电机转子位置并发送合理的换向信号给MOSFET驱动电路，根据脉冲信号进行速度计算，并与速度给定比较进行速度修正；转子位置及转速检测电路检测电机的转子位置和转速，为电机的换相和转速调节提供信息；MOSFET驱动电路对控制指令进行隔离放大，保证MOSFET可靠动作。MOSFET用于电机绕组合理换相，保证电机具有持续的转矩；电流检测电路和过流保护电路用于检测电流值，并在过流时向MOSFET驱动电路发送封锁指令，保证系统的安全性。

图1 矿用无刷直流电机控制系统结构图

2.1 转子位置检测电路设计

转子位置检测是矿用无刷直流电机控制系统首先要解决的问题，本文采用三个霍尔传感器对电机转子位置进行检测，位置检测电路如图1所示。三相霍尔元件发送的信号为HA、HB、HC，当某相（C相）霍尔传感器输出高电平时，二极管IN4148截止，光耦TLP521导通，经过施密特触发器74LS14（消除信号斜坡部分）后输出高电平，经过10K的电阻R9（TTL和CMOS之间的匹配电阻）将TTL的高电平信号转换成DSP可识别的高电平信号发送给DSP的信号捕捉引脚CAP3；假如霍尔传感器输出低电平时，则二极管IN4148的阳极被置低，光耦TLP521不导通，所以施密特触发器74LS14输出为低电平信号，此时DSP接收的信号为低电平。

图2 位置检测电路

2.2 电流检测电路设计

本文选用了型号为LA58-P的霍尔型电流传感器进行电流检测，该传感器具有较高的测量精度、良好的线性度、低温漂、反应周期、宽频带、抗干扰能力强及电流过载能力好等优点，传感器典型接线图如图3所示。LA58-P型霍尔电流传感器采用±15供电，信号输出端接一个辅助测量电阻R13，通过测量测量电阻R13两端的电压计算出要测量的电流值。

图3 传感器接线图

三、结论

矿用无刷直流电机是电机和电力电子技术的相结合的产品，在煤矿井下的应用前景广阔。本文结合数字信号处理器（TMS320LF2407A）设计矿用无刷直流电机控制系统整体结构，并对转子位置检测和电流检测电路进行详细设计，控制系统能够实现矿用无刷直流电机的稳定控制，具有结构简单、反应速度快及可靠性强等优点。

参 考 文 献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术〔M〕.北京：机械工业出版社，2004.

[2] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997

[3] 张宇峰，景占荣，羊彦等.扩展卡尔曼滤波在无刷直流电机控制中的应用研究.微电机.2007（4）：5-7.

【摘要】 为了实现矿用无刷直流电机的可靠控制，本文在分析无刷直流电机原理和位置传感器作用的基础上，设计矿用无刷直流电机控制系统，重点设计控制系统整体结构、位置检测电路和电流检测电路，详细分析电路的工作原理，所设计的控制系统可以按照预计要求完成对矿用无刷直流电机进行可靠控制。

【关键词】 煤矿 电机 转子 位置检测

永磁无刷直流电机除了保留了有刷直流电机起动转距大、调速范围宽等优良性能，其最大特点是无传统换向器和电刷组成的机械换向结构，因此具有结构简单、使用寿命长、可控性强和稳定性好等优点。

随着电机学、现代控制理论和电力电子技术的进步及低成本永磁材料的出现，永磁无刷直流电机获得前所未有的发展，并在能源、汽车、航空和高精度机床等领域获得广泛应用。煤矿生产和运输过程中，对于动力设备的依赖性很大，矿井电能最终消耗主要是通过电机将电能转换为机械能，可见电机是煤矿井下运用较多的电气设备。永磁无刷直流电机凭借其优越的性能，在煤矿井下安全生产、提升运输及输电变电等领域具有广阔的应用空间。

一、无刷直流电机和位置传感器

矿用无刷直流电机与传统有刷直流电机在电磁结构上相同，但它在定子上缠绕电枢绕组，转子上安装径向充磁的稀土永磁材料，定子上的电枢绕组采用典型三相星型缠绕方式，直流电源经过逆变器与绕组相连，采用转子位置传感器取代传统电刷和机械换向器组成的换向结构。根据绕组通电与逆变器内的功率管之间关系对功率管进行合理控制，电机气隙中产生跳跃的旋转磁场与永磁体的磁场相互作用产生电磁转矩，根据转子位置改变绕组通电方式，使电磁场方向与永磁体磁场方向始终相反，保证具有持续的转矩驱动矿用永磁无刷直流电机连续运转。

位置传感器在矿用无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，即实现将转子磁极的位置信号转换成电信号，经过信号处理电路发送给处理器，处理器根据电机转子位置控制定子绕组的导通顺序。为了保证电机具有持续的转矩，功率开关的导通顺序必须和转子转角同步，所以位置传感器与功率开关起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相相似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为直接式和间接式，其中直接式位置传感器以其检测精度高和可靠性好等优点而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有光电式、电磁式、磁敏式和接近开关式。

二、矿用无刷直流电机控制系统硬件电路设计

在本文设计矿用无刷直流电机控制系统中，采用TI公司电机控制专用芯片TMS320LF2407A为核心，该DSP内部集成了很多电机控制专用的外围电路，减少了系统部分硬件电路设计，特别适合矿用无刷直流电机控制。

图1为矿用无刷直流电机控制系统结构图，控制系统由DSP、操作面板、转子位置及转速检测电路、MOSFET驱动电路、MOSFET、电流检测电路、过流保护电路、显示屏和控制对象矿用无刷直流电机组成，其中DSP用于采集数据和发送动作指令，捕捉转子位置及转速检测电路的脉冲信号，判断电机转子位置并发送合理的换向信号给MOSFET驱动电路，根据脉冲信号进行速度计算，并与速度给定比较进行速度修正；转子位置及转速检测电路检测电机的转子位置和转速，为电机的换相和转速调节提供信息；MOSFET驱动电路对控制指令进行隔离放大，保证MOSFET可靠动作。MOSFET用于电机绕组合理换相，保证电机具有持续的转矩；电流检测电路和过流保护电路用于检测电流值，并在过流时向MOSFET驱动电路发送封锁指令，保证系统的安全性。

图1 矿用无刷直流电机控制系统结构图

2.1 转子位置检测电路设计

转子位置检测是矿用无刷直流电机控制系统首先要解决的问题，本文采用三个霍尔传感器对电机转子位置进行检测，位置检测电路如图1所示。三相霍尔元件发送的信号为HA、HB、HC，当某相（C相）霍尔传感器输出高电平时，二极管IN4148截止，光耦TLP521导通，经过施密特触发器74LS14（消除信号斜坡部分）后输出高电平，经过10K的电阻R9（TTL和CMOS之间的匹配电阻）将TTL的高电平信号转换成DSP可识别的高电平信号发送给DSP的信号捕捉引脚CAP3；假如霍尔传感器输出低电平时，则二极管IN4148的阳极被置低，光耦TLP521不导通，所以施密特触发器74LS14输出为低电平信号，此时DSP接收的信号为低电平。

图2 位置检测电路

2.2 电流检测电路设计

本文选用了型号为LA58-P的霍尔型电流传感器进行电流检测，该传感器具有较高的测量精度、良好的线性度、低温漂、反应周期、宽频带、抗干扰能力强及电流过载能力好等优点，传感器典型接线图如图3所示。LA58-P型霍尔电流传感器采用±15供电，信号输出端接一个辅助测量电阻R13，通过测量测量电阻R13两端的电压计算出要测量的电流值。

图3 传感器接线图

三、结论

矿用无刷直流电机是电机和电力电子技术的相结合的产品，在煤矿井下的应用前景广阔。本文结合数字信号处理器（TMS320LF2407A）设计矿用无刷直流电机控制系统整体结构，并对转子位置检测和电流检测电路进行详细设计，控制系统能够实现矿用无刷直流电机的稳定控制，具有结构简单、反应速度快及可靠性强等优点。

参 考 文 献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术〔M〕.北京：机械工业出版社，2004.

[2] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997

[3] 张宇峰，景占荣，羊彦等.扩展卡尔曼滤波在无刷直流电机控制中的应用研究.微电机.2007（4）：5-7.

【摘要】 为了实现矿用无刷直流电机的可靠控制，本文在分析无刷直流电机原理和位置传感器作用的基础上，设计矿用无刷直流电机控制系统，重点设计控制系统整体结构、位置检测电路和电流检测电路，详细分析电路的工作原理，所设计的控制系统可以按照预计要求完成对矿用无刷直流电机进行可靠控制。

【关键词】 煤矿 电机 转子 位置检测

永磁无刷直流电机除了保留了有刷直流电机起动转距大、调速范围宽等优良性能，其最大特点是无传统换向器和电刷组成的机械换向结构，因此具有结构简单、使用寿命长、可控性强和稳定性好等优点。

随着电机学、现代控制理论和电力电子技术的进步及低成本永磁材料的出现，永磁无刷直流电机获得前所未有的发展，并在能源、汽车、航空和高精度机床等领域获得广泛应用。煤矿生产和运输过程中，对于动力设备的依赖性很大，矿井电能最终消耗主要是通过电机将电能转换为机械能，可见电机是煤矿井下运用较多的电气设备。永磁无刷直流电机凭借其优越的性能，在煤矿井下安全生产、提升运输及输电变电等领域具有广阔的应用空间。

一、无刷直流电机和位置传感器

矿用无刷直流电机与传统有刷直流电机在电磁结构上相同，但它在定子上缠绕电枢绕组，转子上安装径向充磁的稀土永磁材料，定子上的电枢绕组采用典型三相星型缠绕方式，直流电源经过逆变器与绕组相连，采用转子位置传感器取代传统电刷和机械换向器组成的换向结构。根据绕组通电与逆变器内的功率管之间关系对功率管进行合理控制，电机气隙中产生跳跃的旋转磁场与永磁体的磁场相互作用产生电磁转矩，根据转子位置改变绕组通电方式，使电磁场方向与永磁体磁场方向始终相反，保证具有持续的转矩驱动矿用永磁无刷直流电机连续运转。

位置传感器在矿用无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，即实现将转子磁极的位置信号转换成电信号，经过信号处理电路发送给处理器，处理器根据电机转子位置控制定子绕组的导通顺序。为了保证电机具有持续的转矩，功率开关的导通顺序必须和转子转角同步，所以位置传感器与功率开关起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相相似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为直接式和间接式，其中直接式位置传感器以其检测精度高和可靠性好等优点而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有光电式、电磁式、磁敏式和接近开关式。

二、矿用无刷直流电机控制系统硬件电路设计

在本文设计矿用无刷直流电机控制系统中，采用TI公司电机控制专用芯片TMS320LF2407A为核心，该DSP内部集成了很多电机控制专用的外围电路，减少了系统部分硬件电路设计，特别适合矿用无刷直流电机控制。

图1为矿用无刷直流电机控制系统结构图，控制系统由DSP、操作面板、转子位置及转速检测电路、MOSFET驱动电路、MOSFET、电流检测电路、过流保护电路、显示屏和控制对象矿用无刷直流电机组成，其中DSP用于采集数据和发送动作指令，捕捉转子位置及转速检测电路的脉冲信号，判断电机转子位置并发送合理的换向信号给MOSFET驱动电路，根据脉冲信号进行速度计算，并与速度给定比较进行速度修正；转子位置及转速检测电路检测电机的转子位置和转速，为电机的换相和转速调节提供信息；MOSFET驱动电路对控制指令进行隔离放大，保证MOSFET可靠动作。MOSFET用于电机绕组合理换相，保证电机具有持续的转矩；电流检测电路和过流保护电路用于检测电流值，并在过流时向MOSFET驱动电路发送封锁指令，保证系统的安全性。

图1 矿用无刷直流电机控制系统结构图

2.1 转子位置检测电路设计

转子位置检测是矿用无刷直流电机控制系统首先要解决的问题，本文采用三个霍尔传感器对电机转子位置进行检测，位置检测电路如图1所示。三相霍尔元件发送的信号为HA、HB、HC，当某相（C相）霍尔传感器输出高电平时，二极管IN4148截止，光耦TLP521导通，经过施密特触发器74LS14（消除信号斜坡部分）后输出高电平，经过10K的电阻R9（TTL和CMOS之间的匹配电阻）将TTL的高电平信号转换成DSP可识别的高电平信号发送给DSP的信号捕捉引脚CAP3；假如霍尔传感器输出低电平时，则二极管IN4148的阳极被置低，光耦TLP521不导通，所以施密特触发器74LS14输出为低电平信号，此时DSP接收的信号为低电平。

图2 位置检测电路

2.2 电流检测电路设计

本文选用了型号为LA58-P的霍尔型电流传感器进行电流检测，该传感器具有较高的测量精度、良好的线性度、低温漂、反应周期、宽频带、抗干扰能力强及电流过载能力好等优点，传感器典型接线图如图3所示。LA58-P型霍尔电流传感器采用±15供电，信号输出端接一个辅助测量电阻R13，通过测量测量电阻R13两端的电压计算出要测量的电流值。

图3 传感器接线图

三、结论

矿用无刷直流电机是电机和电力电子技术的相结合的产品，在煤矿井下的应用前景广阔。本文结合数字信号处理器（TMS320LF2407A）设计矿用无刷直流电机控制系统整体结构，并对转子位置检测和电流检测电路进行详细设计，控制系统能够实现矿用无刷直流电机的稳定控制，具有结构简单、反应速度快及可靠性强等优点。

参 考 文 献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术〔M〕.北京：机械工业出版社，2004.

[2] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997

[3] 张宇峰，景占荣，羊彦等.扩展卡尔曼滤波在无刷直流电机控制中的应用研究.微电机.2007（4）：5-7.