一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法

李柏松，金辛海，胡志涛（上海新时达电气股份有限公司，上海201801）



一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法

李柏松，金辛海，胡志涛
（上海新时达电气股份有限公司，上海201801）

摘要：无刷直流电机工作所需的换相信号通常由霍耳传感器提供，要控制无刷直流电机正常运行，必须准确获知霍耳信号与定子绕组的关系。提出了一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法，该方法通过不同的绕组通电组合将电机转子依次转到6个不同的位置并记录对应的霍耳信号，然后得出霍耳信号与定子绕组的对应关系。所提出的方法快速准确，且对霍耳传感器安装方式没有要求，非常实用。实验结果验证了所提出方法的正确性。

关键词：无刷直流电机；霍耳信号；换相

随着电力电子技术的发展，无刷直流电机得到了越来越广泛的应用，在电动车辆、家用电器、纺织机械等领域都可以见到无刷直流电机的身影。无刷直流电机工作时，需要根据转子位置的不同来切换工作状态。霍耳传感器常用来检测无刷直流电机的换相位置，对于三相无刷直流电机，3个霍耳传感器就可以将6个换相位置检测出来。常用的霍耳传感器安装方式有120°安装和60°安装2种，2种方法都可以输出6个不同的霍耳信号，分别对应6个不同的区域，当无刷直流电机转子转到某一区域时，对应的绕组通电，电机就可以正常工作，若霍耳信号与绕组关系错误，就无法正常工作，甚至会对电机或功率器件造成损坏。因此，确定霍耳信号与定子绕组关系对于无刷直流电机而言非常重要［1-5］。

已有一些文献对如何确定霍耳信号与定子绕组关系进行了研究，并提出了一些检测方法。文献［1］提出了区分无刷直流电机定子绕组、霍耳传感器引脚的方法，但这种方法适用于霍耳传感器的输出为模拟量的情况，而无刷直流电机的霍耳传感器大多输出数字量。文献［2］和文献［3］根据线反电势与换相信号的关系来判断换相信号与绕组关系，文献［2］使用DSP捕捉线反电势过零点，而文献［3］使用示波器来采集线反电势波形，要获得线反电势，两种方法都要借助外力使电机转动。文献［4］需要将转子转到特定位置，然后根据绕组通电情况判断，实现不太方便。文献［5］提出了一种无刷直流电机相序故障自恢复方法，但这种方法需提前获知霍耳信号的安装方式，即120°安装还是60°安装。

本文提出了一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法，这种方法采用三三导通的方式将电机转子依次转到6个位置，并纪录对应的霍耳信号，以此来判断绕组与霍耳信号关系。该方法无需提前获知霍耳传感器是120°安装还是60°安装，也无需借助外力使电机转动，安全可靠，简单易行，可以广泛应用于带霍耳传感器的无刷直流电机应用场合，如电动自行车、纺织机械等。

1　无刷直流电机原理

三相无刷直流电机常采用两两导通的方式工作，两两导通指任意时刻逆变器只有2只开关管开通。无刷直流电机需要根据转子位置来切换工作状态，也就是说换相点是无刷直流电机正常工作必不可少的信息。图1为三相无刷直流电机换相点示意图，为便于理解，特给出了反电势以及相电流波形，图中ea，eb，ec代表三相相反电势，由图可见，对于三相无刷直流电机，每个电周期内有6个不同的换相点，也就是说每个电周期内电机换相6次。

图1　无刷直流电机换相点示意图Fig.1 Commutation signals of BLDC motors

霍耳传感器常用来检测无刷直流电机换相点。三相无刷直流电机需要3个霍耳传感器来检测6个不同的位置，霍耳传感器的安装有120°安装和60°安装2种方式，120°安装指3个霍耳传感器互差120°（电角度），而60°安装指3个霍耳传感器互差60°（电角度），2种安装方法对应霍耳传感器的输出信号如图2所示，图2中霍耳信号跳变的位置就是换相点。2种安装方式最大的区别在于采用60°安装时可以输出“000”和“111”信号，而120°安装则不会输出这2个信号，通过这一点可以判断霍耳传感器的安装方式。

图2　霍耳传感器输出信号Fig.2 Output signals of hall sensors

不管采用哪种安装方式，输出的霍耳信号将每个电周期分为6个区域，当转子转到某个区域时，特定的绕组通电，无刷直流电机即可正常运行，若霍耳信号与绕组关系不准确，电机将无法工作，甚至会造成电机或逆变器损坏。下面介绍一种无刷直流电机霍耳信号与绕组关系自学习方法。

2　霍耳信号与定子绕组关系自学习方法

三相无刷直流电机转矩可以由下式来计算；

式中：ea，eb，ec为三相相反电势；ia，ib，ic为三相相电流；ω为电机角速度。

空载时，在电机绕组中通以固定电流，电机转子将转到某一位置并停止，此时电机产生的转矩为零。图3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳传感器将电周期分成的6个区域，当两两导通时，通电的两相绕组电流大小相等，方向相反，电机转矩为零的点分布在各个区域的边界上；当采用三三导通时，三相绕组均通电，若电流最大相的电流为I，那么其它两相电流为-I/2，此时电机转矩为零的点分布在各个区域的中间位置，如图3所示。通过以上分析可以知道，要使转子转到某一个区域，采用三三导通的方法要比两两导通的方法更加合理。

图3　绕组通电时转子停止位置示意图Fig.3 Standstill position when coils conducted

在某一个特定的区域，正常工作时需要通电的绕组是一定的，如图3中的区域Ⅰ，两两导通时需A相和B相绕组通电，要想产生正转矩，A相绕组应通正电流，B相绕组应通负电流，记为“A+ B-”，要产生负转矩则“B+A-”，其它区域内绕组通电的情况如表1所示。如果电机采用三三导通方式工作，可以根据反电势很容易地得出绕组通电情况，这里就不再列举。

表1　两两导通工作时各区域通电情况Tab.1 Working phases in different sections when two phase conducted

如果能够获知各个区域内霍耳信号的情况，就知道了霍耳信号与定子绕组的关系。按表2将电机转子依次转到6个区域的中间位置，纪录此时的霍耳信号值，按照表1就可以得到霍耳信号与定子绕组关系。

表2　自学习时选用的通电组合Tab.2 Conducting phases when determining hall signals and stator coils relationship

3　实验结果

为验证本文提出的方法，特进行实验。实验用无刷直流电机为380 V/28A，额定频率为50 Hz。按“A-B+C+”给绕组通电，持续1 s后按“A-B-C+”通电，同样持续1 s，此时转子将转到区域Ⅰ中间位置，记录此时的霍耳传感器信号，然后依次按“A+ B-C+”，“A+B-C-”，“A+B+C-”，“A-B+C-”，“A-B+ C+”通电，每个状态持续1 s，并纪录区域Ⅱ～Ⅵ对应的霍耳信号。图4为自学习时A相电流波形，为更加直观地显示霍耳信号与绕组关系，将霍耳信号和绕组组合进行编码，将其用1，2，3，4，5，6来表示，这样就可以用示波器显示出来，图5即自学习完成后获得的霍耳信号与绕组对应关系。

图4　自学习时A相电流波形Fig.4 Current waveform of fhase A when determining hall signals and stator coils relationship

按照自学习后获得的霍耳信号与绕组对应关系控制无刷直流电机运行，电机可以正常工作，说明自学习所得对应关系是正确的，电机运行时的电流波形如图6所示。

图5　自学习获得的霍耳信号与绕组关系Fig.5 The relationship between hall signals and stator coils

图6　电机按自学习结果进行运行时的电流波形Fig.6 Current waveform when the BLDC motor worked according to the determined hall signals and stator coils relationship

4　结论

本文提出了一种无刷直流电机霍耳信号与定子绕组关系自学习方法，这种方法使用三三导通的方式将电机转子依次转到6个不同的区域，纪录对应的霍耳信号，依次获得霍耳信号与定子绕组的对应关系。这种方法对霍耳传感器的安装方式没有要求，无论120°安装还是60°安装都适用。实验结果证实了本文提出方法的正确性，该方法可以快速准确地学习出无刷直流电机霍耳信号与定子绕组的关系，非常实用。

参考文献

［1］Shyh-jier W，Cheng Chi-chang，Shir-Kuan L，et al. An Automatic Pin Identification Method for a Three-phase DC Brushless Motor［J］. Magnetics，IEEE Transactions on，2005，41 （10）：3916-3918.

［2］CHEN Yong，CAI Dong-sheng，LIU Xia. Relationship Detection Between the Signals of Composite Photoelectric Encoder and the Windings of BLDC Motor［J］. Przegląd Elektrotechniczny Selected Full Texts，2012，88（7）：113-116.

［3］许家群，宗立志，段建民，等.无刷直流电机相序测定实用方法［J］.现代电子技术，2008，31（17）：117-119.

［4］倪健，崔巍，章跃进.测定无刷直流电动机转子霍耳信号与绕组对应关系的方法［J］.微特电机，2006，34（2）：44-45.

［5］胡庆波，吕征宇.直流无刷电机中相序故障自恢复功能的实现［J］.伺服控制，2006，5（5）：46-49.

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

中图分类号：TM351

文献标识码：A

基金项目：国家科技支撑计划：大功率电液器件及精密传动件关键技术研究与应用示范（2014BAF08B00）

作者简介：李柏松（1987-），男，硕士，Email：libs@stepelevator.com

收稿日期：2015-09-15