分?jǐn)?shù)槽集中繞組無刷電機(jī)霍爾傳感器位置的確定

0分?jǐn)?shù)槽無刷電機(jī)位置傳感器的確定在沒有傳感器控制的情況下，大多數(shù)無刷電機(jī)必須配置旋轉(zhuǎn)傳感器，以提供必要的電子更換相信號，并且必須采用電子換相所需的換相點(diǎn)信號。位置傳感器的擺放對于整數(shù)槽電機(jī)較為直觀,而對于分?jǐn)?shù)槽無刷電機(jī),特別是在極數(shù)較多情況下,位置傳感器的正確擺放有一定的難度。本文介紹無刷電機(jī)常用的三相全波六狀態(tài)工作方式下,分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)霍爾傳感器位置確定的方法,并以具體例子說明。實(shí)際上,位置傳感器位置的正確確定與下列諸因素都有關(guān)聯(lián):傳感器自身特性、極性規(guī)定、主電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、定子繞組結(jié)構(gòu)(如相帶、線圈繞向、短距多少、雙層或單層等)、主電機(jī)轉(zhuǎn)子與傳感器轉(zhuǎn)子相對位置關(guān)系,以及控制器邏輯設(shè)計(jì)等,所以必須先行約定。1鎖存型霍爾集成電路輸出特性與極關(guān)于鎖存型轉(zhuǎn)變的信號模型現(xiàn)在,在無刷電機(jī)采用作為位置傳感器的霍爾電路大多數(shù)是開關(guān)型霍爾集成電路,特別是鎖存型(latched)霍爾集成電路。鎖存型霍爾集成電路典型的輸出特性見圖1。大多數(shù)生產(chǎn)廠家對霍爾集成電路的極性是這樣規(guī)定的:當(dāng)永磁體的S極面向電路標(biāo)志面時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度B定義為正。其輸出特性是,當(dāng)B為正,并大于動作值Bop時(shí),霍爾集成電路輸出Uout為低電平,即邏輯0;當(dāng)B為負(fù),并小于返回值Brp,霍爾集成電路輸出為高電平,即邏輯1。這種霍爾集成電路在N-S-N-S交替變化磁場下,輸出波形占空比接近50%,符合無刷電機(jī)對位置傳感器的要求。因此,采用鎖存型霍爾集成電路比一般的開關(guān)型霍爾集成電路作為無刷電機(jī)位置傳感器更為合理。由于輸出特性圖的動作值Bop和返回值Brp和實(shí)際使用的磁感應(yīng)強(qiáng)度B相比都很小,下面分析霍爾傳感器位置確定時(shí),可以將鎖存型霍爾集成電路的輸出特性理解為:當(dāng)霍爾集成電路標(biāo)志面面向永磁體的S極時(shí),其輸出為邏輯0,當(dāng)霍爾集成電路標(biāo)志面面向永磁體的N極時(shí),其輸出為邏輯1。通常,將霍爾集成電路芯片放在定子氣隙處(例如,定子鐵心槽口,或齒頂開槽,或線圈端部靠近鐵心處),以便利用主電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極磁場作為霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子磁極磁場。下面的分析是以此種情況進(jìn)行,并且約定:霍爾電路標(biāo)志面向外,朝向磁極。而且應(yīng)當(dāng)選用這樣的霍爾集成電路:芯片封裝時(shí)內(nèi)部霍爾元件是準(zhǔn)確放置在中央位置的。2換相點(diǎn)的選擇目前,大多數(shù)無刷電機(jī)按三相全波六狀態(tài)方式工作,需要放置3個(gè)霍爾位置傳感器。先來討論最簡單的q=1整數(shù)槽電機(jī)在三相全波六狀態(tài)方式工作情況下,霍爾位置傳感器正確位置的確定。在表1給出三相全波六狀態(tài)工作方式換相真值表。大多數(shù)控制器是按照這個(gè)真值表設(shè)計(jì)它的控制邏輯的。在一個(gè)工作周期內(nèi),有6個(gè)狀態(tài):AB、AC、BC、BA、CA、CB。3個(gè)霍爾傳感器的任務(wù)是得到6個(gè)換相點(diǎn)。所以,常見的安排是:每個(gè)霍爾電路輸出占空比是1:1,即邏輯1和邏輯0各占180°(電角度,下同)。并且,在一對磁極下3個(gè)霍爾電路應(yīng)均布,即相互相差為120°。按真值表,3個(gè)霍爾電路輸出是以它們的上跳沿和下跳沿時(shí)刻來決定6個(gè)換相點(diǎn)。例如,霍爾電路輸出HA的上跳沿決定A相開始正向?qū)?和C相正向?qū)ǖ慕Y(jié)束。HA的下跳沿決定由C相反向?qū)ㄇ袚Q為A相反向?qū)?。這樣,只需要正確決定其中一個(gè)霍爾電路,例如HA的位置就行,其余兩個(gè)位置隨之得到。圖2給出A相反電勢、電流和霍爾電路輸出相位關(guān)系。圖中,將A相反電勢過零點(diǎn)定義為0°。為了獲得盡可能大的電動機(jī)輸出,同一相的反電勢和電流應(yīng)當(dāng)同相,所以,正確換相點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在30°處。此處,A相開始正向?qū)āＷ詈唵蔚恼麛?shù)槽電機(jī)q=1,一對極下有6個(gè)槽,如圖3所示是一個(gè)外轉(zhuǎn)子電機(jī)示意圖。圖中左邊是內(nèi)定子。圖中表示了6個(gè)槽三相電流的正方向和它們產(chǎn)生的磁勢FA、FB、FC軸線位置。右邊是它的展開圖,轉(zhuǎn)子磁極向右移動,如n箭頭所示。磁極向右移動到該圖所表示的時(shí)刻,磁極N的軸線已經(jīng)偏移A相線圈軸線30°,A相線圈從最大磁鏈開始下降,反電勢開始上升。此時(shí)就是對應(yīng)圖2的A相反電勢過零點(diǎn)后30°的時(shí)刻。此時(shí),磁極N的前沿已離開A相線圈邊30°。此處就是放置霍爾電路HA的正確位置。此時(shí)霍爾電路正是從朝向磁極S轉(zhuǎn)為朝向磁極N、霍爾電路輸出從0上跳為1的時(shí)刻。對于任何繞組結(jié)構(gòu)的三相電機(jī),三相繞組都有3個(gè)對稱的合成磁勢FA、FB、FC相量,所以關(guān)心的是3個(gè)霍爾電路位置與三相磁勢軸線關(guān)系。由圖3上述分析可見,3個(gè)霍爾電路位置HA、HB、HC正好和三相磁勢軸線重合。還發(fā)現(xiàn),位置HA、HB、HC的鏡像對稱位置HA′、HB′、HC′也是霍爾傳感器正確位置,見圖3的左圖。將它們分別稱為第1組霍爾電路位置和第2組霍爾電路位置,這兩組輸出之間在邏輯上呈現(xiàn)邏輯非的關(guān)系。如果不希望呈邏輯非的關(guān)系的話,可將第2組3個(gè)霍爾電路標(biāo)志面面向鐵心,背向磁極。這時(shí),位置HA′、HB′、HC′和位置HA、HB、HC輸出等效。綜上所述,對于三相無刷電機(jī),不論其繞組結(jié)構(gòu)任何,在一對極下,有兩組共6個(gè)霍爾電路位置可供選擇,它們是對稱均布的,這些霍爾電路位置和三相磁勢軸線重合?；魻栯娐肺恢煤腿啻艅葺S線對應(yīng)關(guān)系如表2所示。這個(gè)結(jié)論作為以下分析討論的基礎(chǔ)。3單元電機(jī)槽數(shù)z0/6個(gè)磁勢相量的劃分為方便對分?jǐn)?shù)槽集中繞組的分析,筆者在文獻(xiàn)引入了單元電機(jī)和虛擬電機(jī)概念。如果分?jǐn)?shù)槽繞組的定子槽數(shù)Z和轉(zhuǎn)子極對數(shù)p有最大公約數(shù)t,即Z=Z0t和p=p0t,稱由Z0和p0組成的電機(jī)為單元電機(jī),原電機(jī)由t個(gè)單元電機(jī)組成。例如,對于Z/p=36/15電機(jī),最大公約數(shù)t=3,Z0/p0=12/5,為它的單元電機(jī)。文獻(xiàn)引入虛擬電機(jī)概念,即將多極分?jǐn)?shù)槽單元電機(jī)電勢相量星形圖看成是一對極的虛擬電機(jī)的相量圖。虛擬電機(jī)定子槽數(shù)為Z0,但極對數(shù)為1,全部電勢相量在一個(gè)相平面上。按照這個(gè)思路,將討論的對象Z/p=36/15先轉(zhuǎn)為對它的單元電機(jī)Z0/p0=12/5的分析,最大公約數(shù)t=3,再轉(zhuǎn)為單元電機(jī)的極對數(shù)為1的Z0=12虛擬電機(jī),這樣就可以方便地利用上節(jié)一對極電機(jī)的分析方法來確定霍爾傳感器位置。圖4是單元電機(jī)Z0/p0=12/5磁勢相量星形圖。將它看成是一對極的虛擬電機(jī)的相量圖。圖中的號是齒號,即線圈號。雙層繞組排列表示為A,a,b,B,C,c,a,A,B,b,c,C。線圈繞向約定:大寫字母表示反時(shí)針繞,磁勢為正向;小寫字母表示順時(shí)針繞,磁勢為負(fù)向。繞組排列見表3。這樣,A相繞組是由1、-2、-7、8四個(gè)線圈組成。這4個(gè)磁勢相量的合成磁勢相量是FA。同樣,B相和C相繞組各自四個(gè)磁勢相量的合成磁勢相量是FB和FC。參照表2,由磁勢FA、FB和FC軸線,得到6個(gè)霍爾傳感器位置。注意到,在這個(gè)例子,6個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心槽中線,見表4。表中,例如6-7表示HA霍爾電路位置對正鐵心6和7齒之間的槽中線。如表所示,6個(gè)霍爾傳感器分為兩組,第2組3個(gè)霍爾傳感器輸出和第1組3個(gè)霍爾傳感器輸出相位是相反的。圖4右邊的是繞組展開圖,這里只畫出A相繞組。在6個(gè)霍爾傳感器位置中可按方便集中出線選擇其中3個(gè),例如選擇HA′、HB、HC′。應(yīng)當(dāng)指出,每對極下都有6個(gè)霍爾傳感器位置可供選擇。這里給出的5對極下的6個(gè)霍爾傳感器位置只是其中的特異點(diǎn),即它們處在槽中線,以方便工程上實(shí)施。一般而言,單元電機(jī)槽數(shù)Z0為偶數(shù)時(shí),對于雙層繞組連接方式,虛擬電機(jī)中60°相帶內(nèi)有Z0/6個(gè)齒,即有Z0/6個(gè)線圈磁勢相量。如文獻(xiàn)指出,單元電機(jī)槽數(shù)Z0為偶數(shù)時(shí),Z0必為6的倍數(shù),所以Z0/6必為整數(shù)。詳細(xì)分析表明,如果Z0/6為偶數(shù),每相合成磁勢相量必然對正鐵心槽中線,所以,6個(gè)霍爾傳感器位置對正鐵心槽中線;如果Z0/6為奇數(shù),每相合成相磁勢相量必然對正鐵心齒中線,6個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心齒中線。6個(gè)霍爾傳感器分為兩組,第2組3個(gè)霍爾傳感器輸出和第1組3個(gè)霍爾傳感器輸出相位是相反的。單元電機(jī)槽數(shù)Z0為偶數(shù)時(shí),還可以連接為單層繞組,此時(shí),它只有一半的齒上有線圈,相當(dāng)于槽數(shù)為Z0′=Z0/2。它的磁勢相量圖只有Z0′個(gè)磁勢相量。這樣,采用單層繞組連接方式的槽數(shù)Z0為偶數(shù)單元電機(jī)可以看成是槽數(shù)為Z0′的單元電機(jī)來分析。當(dāng)Z0′為偶數(shù)時(shí),可參照上述結(jié)果分析;而當(dāng)Z0′為奇數(shù)時(shí),可參照下節(jié)進(jìn)行分析。4單元電機(jī)槽數(shù)p0、hc、p0和hb位置圖5是單元電機(jī)Z0/p0=9/5磁勢相量星形圖。將它看成是一對極的虛擬電機(jī)的相量圖。圖中的號是齒號,即線圈號。雙層繞組排列表示為a、A、a、c、C、c、b、B、b,繞組排列見表5。A相繞組是由-9、1、-2三個(gè)線圈組成。這三個(gè)磁勢相量的合成磁勢相量是FA。同樣,B相和C相繞組各自三個(gè)磁勢相量的合成磁勢相量是FB和FC。由磁勢FA、FB和FC軸線得到6個(gè)霍爾傳感器位置。注意到,第1組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心齒中線,第2組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心槽中線,見表6。圖5右邊的是繞組展開圖,這里只畫出A相繞組。在6個(gè)霍爾傳感器位置中可按方便集中出線選擇其中3個(gè),例如選擇HC、HA′、HB。圖6是單元電機(jī)Z0/p0=9/4磁勢相量星形圖。它的雙層繞組排列、磁勢相量星形圖和9/5類似。由磁勢軸線,得到6個(gè)霍爾傳感器位置。注意到,第1組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心齒中線,第2組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心槽中線。但是,和9/5不同,第2組3個(gè)霍爾傳感器仍然是在磁勢FA、FB和FC軸線上,和第1組同相,見表7。圖5右邊的是繞組展開圖,這里只畫出A相繞組。而與負(fù)向磁勢-FA、-FB和-FC軸線重合的HC′、HA′、HB′位置不在鐵心槽中線上。例如,如圖6中所示,HC′位置在4號齒中線后60°(電角度),即機(jī)械角60°/4=15°處。而半個(gè)齒距的角度是20°,故此,出于工程實(shí)施考慮,這些位置不被選擇使用。Z0/p0=9/5和Z0/p0=9/4兩個(gè)例子顯示,當(dāng)單元電機(jī)槽數(shù)Z0為奇數(shù)時(shí),p0為奇數(shù)和偶數(shù)情況稍有區(qū)別。對比圖5和圖6的展開圖,6個(gè)霍爾傳感器位置實(shí)際是同樣均布的,第1組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心齒中線,第2組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心槽中線。但是,第2組3個(gè)霍爾傳感器輸出和第1組3個(gè)霍爾傳感器輸出相位關(guān)系有所不同:如果p0為奇數(shù),第2組3個(gè)霍爾傳感器輸出和第1組3個(gè)霍爾傳感器輸出相位是相反的;如果p0為偶數(shù),第2組3個(gè)霍爾傳感器輸出和第1組3個(gè)霍爾傳感器輸出是同相的。5霍姆林斯塔科多態(tài)性和定位介紹一種電動摩托車用外轉(zhuǎn)子無刷電動機(jī)。它采用Z/p=Z0/p0=51/23,t=1的分?jǐn)?shù)槽集中繞組,屬于單元電機(jī)槽數(shù)Z0為奇數(shù),p0為奇數(shù)的例子。圖7是單元電機(jī)Z0/p0=51/23磁勢相量星形圖。圖中的號是齒號,即線圈號。雙層繞組排列,A相繞組是由-1,2,-3,11,-12,13,-21,22,-23,24,31,-32,33,-34,42,-43,44共17個(gè)線圈組成,這17個(gè)磁勢相量的合成磁勢相量是FA。同樣,B相和C相繞組各自17個(gè)磁勢相量的合成磁勢相量是FB和FC。由磁勢FA、FB和FC軸線得到6個(gè)霍爾傳感器位置。注意到,第1組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心齒中線:2,36,19,第2組3個(gè)霍爾傳感器位置都對正鐵心槽中線:27-28,10-11,44-45。圖7右邊的是繞組展開圖,限于圖面尺寸,這里只畫出A相繞組的一部分。由于電機(jī)定子外徑較大,這6個(gè)霍爾傳感器位置均布分散,不便于出線。為方便集中出線,在實(shí)際工程實(shí)施中,霍爾傳感器位置的選擇作了靈活處理,如圖7右邊所示。其中HC是第1組的2號齒中線,HA、HB則分別選擇在51-1、3-4槽中線位置。即在圖7左邊有*的位置。它們的相位分別與36,19號齒中線接近,計(jì)算的理論偏差僅為3.5°(電角度)。讀者從上述這些例子可以看出,無刷電動機(jī)霍爾傳感器位置選擇不是唯一的,采取變更線圈繞向,霍爾元件標(biāo)志面向里或向外,不同的組合,允許一定相位偏差等方法,可得到多個(gè)方案,按需要進(jìn)行優(yōu)化、比較和選擇。6單元電機(jī)槽數(shù)確定利用單元電機(jī)和虛擬電機(jī)概念進(jìn)行分析,無刷電機(jī)在常用的三相全波六狀態(tài)工作方式下,多極分?jǐn)?shù)槽集中繞組無刷電機(jī)霍爾傳感器位置確定的方法和分析結(jié)果歸納如下:1)不論三相無刷電機(jī)其繞組結(jié)構(gòu)如何,在每一對極下,有兩組共6個(gè)霍爾電路位置可供選擇,它們是對稱均布的。這些霍爾電路位置和三相繞組的磁勢軸線重合。所以,霍爾傳感器位置確定方法的關(guān)鍵是在一定約定條件下,通過磁勢相量圖,獲得三相磁勢軸線位置。2)分?jǐn)?shù)槽集中繞組每個(gè)單元電機(jī)內(nèi)都可以找到兩組共6個(gè)霍爾位置傳感器的特異點(diǎn)位置,它們對正定子鐵心的槽中線或齒中線。3)當(dāng)單元電機(jī)槽數(shù)為偶數(shù)時(shí),對于雙層繞組連接方式,如果Z0/6為