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采用不平衡霍尔传感器无刷直流电动机的动态性能
Nikolay Samoylenko，IEEE学生会员，Qiang Han，IEEE学生会员，
和Juri Jatskevich，IEEE高级成员
摘要：Brushlessdc（BLDC）motorscontrolledbyHall效果传感器广泛应用于各种应用领域在文献中进行了大量研究，主要是在假设下霍尔传感器理想的是相隔120电角度。但是，这种假设并不总是有效的;事实上，传感器的位置 - 可能是非常不准确的，特别是在中等和中等低精度BLDC机器。本文表明错位霍尔传感器导致逆变器的不平衡运行相位，增加扭矩的低频谐波波动并降低整体驱动器性能。该论文也介绍了几种可以应用的平均滤波技术原始的霍尔传感器信号可以减轻不平衡的影响在稳态和瞬态操作期间的放置。亲自通过建模和硬件演示了方法论，并且显示出实现类似于a的动态性能BLDC电机具有精确定位的霍尔传感器。
索引术语 ：平均滤波，无刷直流（BLDC）电机，外推，霍尔效应器件。
图1 在典型的无刷直流电机中放置霍尔效应传感器。
一 引言
无刷直流（BLDC）电机通常被认为是各种机电应用和一般都有在文献[1]-[6]中进行了很好的调查。技术 - 可以放置用于控制逆变器晶体管的装置两大类：需要霍尔传感器的那些[1]，[5]，[6]和那些基于无传感器方法的，例如，使用反电动势（EMF）零交叉[6]。第一种方法的一个优点是它相对简单可变机械的补充和可靠的操作即使在非常低的速度下（无传感器控制可能）并不总是有效的）。霍尔驱动BLDC电机的理论与建模传感器是由许多研究人员开发的常见的假设 - 霍尔传感器准确放置120电角度。然而，在许多低成本的中国人，这种假设可能不成立，相对位移的分布实际上可能非常重要。一个例如，典型的工业电机中的传感器本文考虑的内容如图1所示。可以看出，霍尔传感器（H1，H2和H3）安装在印刷品上电路板（PC）放置在电机外壳的外面并作出反应附着的永久磁铁片产生的磁场到电机轴的后端。在一个理想的情况下，轴传感器应该相隔120度，实际上是难以实现高精度。而且，错误在于对于不同的相位，传感器的定位可以是不同的。图1中的虚线对应于期望的定位传感器，实线表示它们的实际位置。如已确定，传感器放置的绝对误差可能达到几个机械度，转化为均匀具有高数量的机器的电角度误差更大磁极杆。虽然Hall sen的其他配置或安装 也有可能在不同的BLDC机器上产生效果他们的错位会导致类似的后果。一般来说，霍尔传感器定位不够精确导致电机逆变器的平衡运行，有一些相位进行更长时间和其他阶段进行更短时间时间间隔。由此产生的不平衡导致一些不利现象，如扭矩增加脉动，振动和声学噪声，以及减少整体机电性能。
图2 无刷直流电机驱动系统, 可过滤霍尔传感器信号。
图3 带有不平衡霍尔传感器的永磁同步电机。
虽然有大量的出版物BLDC驱动，经过广泛的文献检索，我们发现只有少数人能解决不平衡的霍尔传感器。在[7]中记录了霍尔传感器的不对中，其中作者调查了相对复杂（昂贵）BLDC电机驱动采用先进的基于观测器的torqueripple缓解控制。 对于小型机器，霍尔传感器定位的准确性也可能是个问题。 [8]的作者展示了他们精心制作的原型和将不对称相电流与霍尔传感器不精确性联系起来。尽管由于低精度Hallsensors引起的位置误差似乎是一个已知问题，但我们广泛的文献检索并未产生许多解决方案。手动的方法重新调整传感器需要打开机器（或其背面）并调整传感器直到达到要求的精度实现了，这对于大量来说并不是很实用的数量。还引入了额外的硬件电路不可取，因为它会增加复杂性和成本的驱动器。低精度BLDC电机的运行在[9]中描述了未对准的霍尔传感器，其中建议平均时间间隔以改善稳态运行。这项工作进一步发展到在[10]中考虑瞬态过程中的电机运行。随着低成本/低精度BLDC电机的发展广泛可用并用于各种应用，霍尔传感器的校准需要更加详细的关注。这个本文重点介绍典型的三相BLDC电机 - 逆变器系统，如图2所示。我们提出了一种过滤方法可直接应用于原始霍尔传感器信号产生一组用于驱动的信号逆变器如图2所示。本手稿扩展了作者在[10]报道的工作，并做了以下总体贡献。
1）该文件描述了非理想场所的现象 - 基于硬件原型和霍尔传感器的霍尔传感器详细的切换模型。
2）我们提出一个简单但非常有效和实用的过滤器提高技术的整体性能BLDC电机驱动系统中存在明显的不平衡霍尔传感器定位。
3）本文概括了过滤霍尔的方法 - [10]中提出的传感器信号，并提供了实验心理结果。我们展示了BLDC的表现所提出的滤波器的电动机接近电动机的电动机理想的霍尔传感器。
4）提出的方法不需要任何附加国家和/或特殊电路或硬件。我们的方案可以用基本的（可能的）实现（编程）已经存在的电动机控制器，因此可能是适用于许多应用。
二 永磁无刷直流电机模型
- 详细模型分析不平衡霍尔传感器对BLDC的影响电机性能，永磁同步电机（PMSM），如图3所示，在此考虑。在图3中，H {1,2,3}和H {1,2,3}表示实际和理想的轴霍尔传感器的（位置）分别为;和phi;A，phi;B和phi;C表示传感器放置中的绝对误差cal度。基于常用的假设，定子电压方程可表示如下[1] - [4]：
其中f代表电压年龄，当前或通量链接向量。此外，r s代表定子电阻矩阵。对于具有非阻尼反电动势的电动机，假设反电动势是半波对称且包含空间谐波。因此，定子磁链和电磁转矩可写为[4]
其中L s是定子相自感和lambda;是相位调制的基本分量的大小（PM）磁通量链。系数K n表示相对于第n个磁通谐波的正常化幅度基本的，即K 1 = 1。开发了图2所示系统的详细模型并使用工具箱在Matlab Simulink [11]中实现[12]， 120°逆变器逻辑是根据实施的标准表[3]，[5]，[6]。
- 模型验证
研究不平衡霍尔效应传感器的现象，我们测试了一批工业无刷直流电机，以便对传感器不平衡参数的严重程度进行可能的变化样本。验证中使用的电机参数本文提出的研究报告在附录中进行了总结。由于难以精确测量定位误差从霍尔传感器的物理安装（见图1），这些通过测量实际反电动势和电动汽车之间的相位差，可以间接地非常精确地测量误差霍尔传感器输出信号。因此，对于给定的电动机，实际的捕获反向EMF和霍尔传感器输出信号实验上，绝对传感器定位误差确定为 0.8°，-4°和-4°机械阶段A，B和C的度数。一些其他电机具有更好或更差的精度，认为所考虑的样品具有足够的代表性。测量该电机的EMF波形已包含在内在[10]中，由于空间限制，此处不再重复。为了提高模型的准确性，空间谐波根据（2）和（3）包括。最重要的谐波系数总结在附录中。如果需要，可以考虑额外的系数模型;然而，发现更高次谐波更少重大。
为了研究不平衡霍尔传感器在稳态下的影响，使用几种商业上可获得的基于BLDC霍尔传感器的驱动器（MaxonEC放大器DEC 50和Anaheim Automation MDC 150-050）以及我们自己的原型驱动程序（参见第V节），全部产生相同的结果。没有失去一般性，一个工作点由机械载荷0.9 N·m决定包括在这里。对于这项研究，电机逆变器是支持使用V dc = 40 V，速度为2458 r / min给定的机械负荷。测得的相电流为捕获并显示在图4（顶部）中。相同稳态工作条件下的模拟相电流如图4（中）所示。可以看出在图4中，详细模型非常接近地预测相电流并且与测量的波形一致。这项研究确认开发的详细模型的准确性。可以如图4（上图和中图）所示，电机相位通电时间不等，电流对称失真。虽然给定的工作点略有不同在机器的额定值之上，在其他装载时获得的结果条件以类似的方式扭曲。一般来说，这非常现象不依赖于装载和/或操作只要逆变器晶体管换向不正确，它就会出现。为了比较，具有理想放置的霍尔传感器的机器操作也是模拟，并产生的相电流绘制在图4中（底部）。从图中可以看出，导通间隔和电流波形应在各相之间平衡。
图4 测量和模拟的相位电流。
不对称的定子电流也会扭曲发达的电流，由于在实际中难以测量实际的瞬时电磁波动，因此使用两者的详细模拟来预测扭矩波形。案例：1）理想情况 - 霍尔传感器精确放置，带零误差和2）实际情况 - 霍尔传感器放置误差等于样品电机的误差。预测扭矩波形如图5所示，并对应谐波频谱如图6所示，其中显着可以观察到差异。如图5和图6所示（理想情况，顶部），转矩波形包含非常强的谐波频率为984 Hz，对应于六脉冲变频器在给定电机速度下运行。在正常操作下，该谐波预计会占主导地位。然而对应于实际情况的扭矩（见图5和图6，底部）具有更丰富的光谱，具有低于984Hz的两个非常强的谐波。这些低次谐波尤其如此不希望的，因为它们会导致机械振动增加声学噪音。另一种定性比较这些波形的方法是评估它们的总谐波失真（THD）。在文献中，THD通常根据谐波含量来定义与其基本分量或其相关的波形有效值[13]。由于两个定义彼此相关，在不失一般性的情况下，我们在这里评估THD扭矩波形相对于984 Hz，应该是是正常运作中的主导成分。就这样对于理想情况和实际情况，计算的THD分别为69.7％和189.6％。这也显示出失真的显着增加。
图6 电磁扭矩谐波分量
图7 理想和实际的霍尔传感器输出信号
振动和声学特征的详细分析BLDC机器非常重要[14] - [16]，一般来说，需要有关机器设计和可能的信息机电共振超出了这个范围本文的重点是建立一种方法论通过它可以简单地恢复BLDC电机操作尽可能接近平衡相电流的理想情况，如图4（下图）所示，从而改善电磁效应扭矩 [如图2和图3所示。 5和6（上）]。
三 过滤霍尔信号
为了更好地理解如何校正霍尔传感器信号，它考虑图7所示的图表是有益的假设每个霍尔传感器输出一个逻辑信号（0或1）180电角度。这里，角度phi;v表示可能的烧制[1]延迟或提前，phi;A，phi;B和phi;C为每个阶段各自的传感器定位误差。当。。。的时候理想的电机运行，霍尔传感器产生方波信号相对于电流正好偏移120电角度彼此（见图7，虚线）。合并（添加）全部三个理想输出产生方波（见图7底部，虚线），周期等于霍尔传感器的三分之一周期，等于60电角度。当传感器从理想位置移开时（参见图7，实线），得到的组合波形变为失真，导致两个连续切换事件之间的不均匀角度间隔theta;（n）。时间间隔theta;（n）的持续时间在此用tau;（n）表示。正如可以观察到的那样图7是间隔theta;（n-3）的上升沿和下降沿区间theta;（n-1）对应于同一传感器的切换。
在此 （2）这是两个理想的连续切换事件之间的平均角度，等于pi;/ 3。
本文提出了一种近似理想霍尔信号的方法。H通过适当修改 (过滤) 来自实际传感器的信号 H1,2,3}.该方法的工作原理是找到间隔持续时间tau;macr;(n)对应于theta;macr;(n)通过平均和/或推断时间间隔tau;(n).一旦tau;macr;(n)已知的, 它是用来估计正确的时间换向逆变r 晶体管。
为清楚起见,tau;(n)(见图 7, 底部) 在图8中作为一个离散时间信号作为一个离散时间信号与周期n: t, 其中样品的实际值为tau;(n).显然, 非均匀值tau;(n)在相位电流和扭矩波形中造成不必要的谐波。的频率内容tau;(n)可以使用离散时间傅立叶级数 (dtfs) [17] 进行计算, 以便将信号写入。
（3）
w在这里傅立叶系数{ck},K=0,1,...nminus;1, 提供tau;(n)在频域中。在我们的例子中, 信号tau;(n)有一个零频率分量和两个频率的分量2P3个和4P3个每个样本的弧度;这两个频率应该被过滤掉。
本文提出了一种基于过滤原始霍尔传感器信号的不良谐波消除方法。此外, 为了简化所需的多输入多输出 (m) imo) 过滤器 (见图 2), 我们建议将过滤直接应用于序列tau;(n)(参见图 8), 它在内部将问题简化为单输入单输出 (siso) 筛选器。因此, 有必要过滤掉不良的谐波在tau;(n).可以使用以下常规公式构造适当的筛选器。
(4)
在那里m是与前面的点数相对应的筛选器的顺序考虑和b米是依赖于一个参数的加权系数滤光片的实现及其数值属性。在不失去通用性的情况下, 本文提出了两个合适的滤波器系列: 1) 基本平均滤波器和 2) 外推滤波器, 而其他滤波器也可以基于 (6) 推导出来。
a. 基本平均筛选器
在 t他的方法, 在 (6) 中的系数可以定义为
. (5)
通过此实现, 可以分别表示六步和三步筛选器, 如
(6)
和
. (7)
在这里,下标'a'表示此基本平均过程。在这种情况下,应谨慎选择滤波器的顺序,因为不需要的谐波,2P3个和4P3个应被压制。
图9
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