基于梯形波反电动势的BLDCM霍尔位置矫正策略

刘建林 冯垚径 罗德荣 施大发

摘 要：主要阐述了一种无刷直流电机（BLDCM）的霍尔传感器位置在线矫正策略.传统的BLDCM的霍尔传感器的矫正方式多为直接在电机本体上移动霍尔传感器，这种方式需要拆卸电机，因而在电机调试过程中是相当复杂的.本文主要通过母线电压和母线电流来获取电机换相过程的时间，确定霍尔位置传感器的最优超前角，达到在线修正霍尔位置的目的.最后以含3个霍尔位置传感器的三相两导通模式的BLDCM为仿真对象，并通过Matlab仿真平台对所提出策略加以验证，仿真结果证明该策略能够有效地在线修正霍尔位置偏移角，使得电机的相电流趋于平稳并达到正常运行模式，最后证实了方案的可行性与有效性.

关键词：无刷直流电机；霍尔传感器；梯形波反电动势；换相时间；最优超前角

中图分类号：TM33 文献标志码：A

Abstract：This paper proposed a position compensation method for brushless DC motors with trapezodial backEMFs. The conventional compensation method of Hall sensors is very complex because of its moving hall sensors on motor body .In this paper， the bus voltage and bus current were used to obtain the commutation time of the BLDC motor， and the optimal advance angle of Hall sensors was determined to achieve the purpose of correcting the Hall position. Finally， the simulation results based on BLDCM with three Hall sensors in the threephase twoconduction mode effectively and reasonably verify that the proposed methods can modify deviation angle of Hall sensors， make the phase current stable and run up to normal operation mode through the Matlab simulation platform，which validates the feasibility and effectiveness of the proposed strategies.

Key words：brushless DC motors；Hall sensors；trapezodial backEMFs；commutation time；optimal advanced angle

無刷直流电机因其体积小、控制简单、效率高、能量密度大、噪音小、成本低以及硬件条件实现容易而广泛运用于车辆、家用电器、机器人、风扇以及无人机等领域的工业实践中[1-3]，因而无刷直流电机系统的实现相对于大型永磁同步电机要容易得多.由于无刷直流电机本身固有的优势，各类生产与科研对其需求也是与日俱增.传统的关于无刷直流电机的理想梯形波反电动势与理想霍尔位置信号的研究，都取得了较好的成果[4].然而，由于安装精度的问题，霍尔位置信号在实际中会出现误差，这些位置误差信号将会加剧电流脉动、转矩脉动以及噪音等[5-6].特别的，对于多极电机和小型电机，霍尔位置信号的误差将会更严重.

基于此，一种无刷直流电机无位置传感器策略得以提出，由于该策略不需要安装霍尔传感器，因而霍尔位置误差这一类问题也不会存在.无刷直流电机的无位置传感器策略可以分为反电动势电压观测策略[7-9]、反电动势积分策略[10]、磁链估算[11]、以及续流二极管导通的检测[12].尽管无位置传感器策略能有效避免霍尔位置误差信号的产生，但是在全速范围内，尤其是低速范围内，这些策略的效果并不理想.一般来说，传统的无位置传感器策略在实践过程中能达到的最低速度接近额定转速的10%[13].因此，无位置传感器控制策略在低速范围的劣势还有待解决，此外，由于其本身控制策略的特性，初始启动控制方案也需要解决.

由于存在诸多问题，带有霍尔位置传感器的无刷直流电机依旧广泛应用于各类工业实践中，例如：通风机、无人机、空气清洁器、手电钻、水泵、燃油泵、冷却风扇等等.

针对霍尔位置信号的误差这一类问题，国内外学者展开了一定的研究.文献[5]提出一种有效策略，能将无刷直流电机加速和减速过程中的位置误差有效减小，并最终取得了良好的实验效果，然而该策略并不能解决霍尔传感器的安装误差问题.文献[1415]中的研究提出超前角度计算方法，在文献[14]中假定反电动势波形为梯形波，并且在超前角度计算过程中需要相电流，因而此种方法在无刷直流电机系统中应用很复杂；文献[15]提出一种基于电机转速的相位提前的等效电路，其在高速环境中应用简单并且高效，该方案的不足之处在于，所提出的等效电路的设计对于全速范围以及不恒定负载转矩条件下还是很困难的.

本文提出了带有梯形波反电动势的无刷直流电机的数学模型和相电流动态分析以及对霍尔传感器位置误差的补偿修正.通过对带有霍尔位置误差的梯形波反电动势的无刷直流电机的数学分析，提出一种通过利用霍尔信号、母线电压、以及母线电流在线修正超前导通角的策略，该方案能有效提高带有霍尔传感器的无刷直流电机的性能，尤其是能减小电流脉动.

1 霍尔传感器误差修正策略

BLDCM系统主要由直流电源、逆变器以及无刷直流电机等组成，BLDCM的等效电路如图1所示.

圖8为仿真实验电机反电动势波形，图9（a）和图9（b）分别为霍尔位置修正之前的霍尔信号与相电流波形.图9（a）中由于存在霍尔机械位置误差，实验得到的霍尔信号也是不规则的.图9（b）为未应用在线修正策略实际相电流波形，很明显，霍尔位置紊乱的情况下，电机相电流波形也会有较大波动，导致电机不能正常运行.图10（a）和图10（b）分别为霍尔位置修正之后的霍尔信号与相电流波形.图10（a）中由于存在霍尔机械位置误差，实验得到的霍尔信号同样也是不规则的.图10（b）为已经应用在线修正策略实际相电流波形，通过对比图9（b）与10（b），能够很容易得到：运用本文所提修正策略之后的相电流波形变得很平稳，不像未修正之前（图9（b））那样相电流脉动很大.因此，该仿真可以证明，尽管霍尔信号没有在理想位置，相电流波形依然能够恢复正常，证明了该在线修正策略的有效性.

4 结 论

本文提出一种带有梯形波反电动势的无刷直流电机的霍尔位置传感器位置偏移条件下的霍尔位置在线超前角调节策略.该方案通过霍尔传感器信号的修正策略去平衡换相扇区的时间间隔，以估算出平衡的转子位置，不需要额外的参数，只需要获得直流母线电压与电流，便可以实现提出的位置修正策略.通过在Matlab仿真平台验证该控制策略，使得目标无刷直流电机能最优运行，该仿真实验测得相电流与反电动势波形都能与理想波形完美重合.仿真结果表明无刷直流电机在最大效率运行条件下都具有很理想的响应速度与效果.仿真实验证实了所提出的在线超前角调节策略可行性良好.

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