霍尔位置传感器无刷直流电机起动控制策略
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渊1. 湖州师范学院工学院袁浙江 湖州 313000曰 2. 英威腾电气股份有限公司袁江苏 苏州 215000冤
摘 要院针对电机在低速起动或转速特别低时霍尔输出信号不稳定问题袁结合方波控制出力大与矢量控制转矩脉动
和噪声小的优点袁研究基于霍尔位置传感器的无刷直流电机方波与正弦波复合控制的电机驱动器遥 在分析霍尔估
第 42 卷第 8 期
荀 倩等院霍尔位置传感器无刷直流电机起动控制策略
119
箱尧洗衣机尧空调尧风扇等冤等领域[2]遥 无刷直流电机通常采用方波控制袁通过霍尔位置
传感器的输出信号确定转子位置袁其控制简单袁出 力大 袁 但 转矩 脉 动 和 噪 声较 大 [3]袁 已 不 能 满 足 要 求 袁 为减小转矩脉动和噪声袁已将矢量控制应用于无刷 直流电机中[4-6]袁而矢量控制在某些低速大扭矩场合 会存 在 起 动 不成 功 的 问 题 [7]袁 因 此 结 合 方 波 与 矢 量 控制的优点袁研究方波与正弦波复合控制的电机驱 动器可得到具有出力大尧转矩脉动和噪声小的控制 策略遥
表 1 霍尔状态与区间对应关系
霍尔区间 霍尔 a 霍尔 b 霍尔 c
起始角度
I
II
III
IV
V
VI
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0毅
60毅 120毅 180毅 240毅 360毅
转子的转向和位置区间确定之后袁就可以对转
子的具体位置信息进行估算遥 设某一相霍尔 180毅间
隔的时间为 驻t袁则在此区间内电机的平均电角速度
棕e 为
棕e =
仔 驻t
设 PWM 周期为 T袁一个电角度周期为 T1袁在每
个电角度周期内袁转子转动 2仔 rad袁则可以计算出
120
中国测试
2016 年 8 月
每个 PWM 周期的转子角度变化量为 2仔T/T1袁然后 在每次控制算法执行时在上一次角度的基础上对这 个角度变化量进行积分袁就可以实时估算出转子位 置角度 兹遥
一般情况下袁方波控制为两两导通控制方式袁逆 变器开关管采用上桥臂 PWM尧下桥臂恒通控制方式袁 同一时刻有两个开关管处于导通状态遥 而矢量控制 为三三导通模式袁同一时刻有 3 个开关管处于导通 状态袁且同一桥臂的两个开关管处于互补导通状态遥 因此袁必须考虑切换时开关管的导通状态以及转子位 置才能实现方波与正弦波的动态切换遥 根据霍尔信 号与转子位置的对应关系可得方波控制与矢量控制 时霍尔信号与开关管导通对应关系如表 2 所示遥 其 中袁野ON冶表示上桥臂开关管导通袁野OFF冶表示关断袁 野NC冶表示该相桥臂不导通遥
由表可知袁切换时只需要某一相开关管的导通 状态发生变化遥 方波切换控制实现过程如下院切换过 程完全通过软件编程实现袁 电机起动时采用方波控
表 2 霍尔信号与开关管导通关系
霍尔信号渊abc冤 001 101 100 110 010 011
A ON ON
NC
OFF OFF NC
方波控制 B OFF NC
V尧VI遥
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱeA
eB
eC
兹
0毅 60毅 120毅 180毅 240毅 300毅 360毅
兹
Ha 兹
Hb 兹
Hc
玉 域芋 郁吁 遇
兹
图 2 三相霍尔信号与反电势对应关系
可以得出霍尔状态与区间的对应关系如表 1 所 示遥 当电机连续运行时袁由变化的霍尔信号状态就可 以判断出电机转子所处的旋转方向和位置区间遥 假 定逆时针方向为正向袁 若霍尔信号由 110 状态转换 为 010 状态袁可以确定电机为正向旋转袁并且已经进 入霍尔区间 IV遥
关键词院方波控制曰矢量控制曰霍尔位置传感器曰正弦波直接起动曰方波切换正弦波起动
文献标志码院A
文章编号院1674-5124渊2016冤08-0118-05
Starting control strategy of brushless DC motor based on Hall rotor position sensor
XUN Qian1袁 WU Yong2袁 WANG Peiliang1袁 CAI Zhiduan1 渊1. School of Engineering袁Huzhou University袁Huzhou 313000袁China曰 2. British Witten electric Limited by Share Ltd袁Suzhou 215000袁China冤
采用直接正弦波起动方法袁在低速时通过 60毅分 辨率的位置信号能够获得电机需要转矩袁相比于两 两导通起动方式袁转矩脉动更小遥
电机起动时袁根据霍尔位置传感器输出信号得到 起动初始位置袁即转子所在当前霍尔扇区的中间位 置袁角度误差控制在依30毅范围内袁然后根据给定转速 或电流信息袁执行矢量控制算法袁通过 SVPWM 调制 计算出合成作用电压矢量遥 由于霍尔位置传感器输 出信号在起动过程中分辨率较低袁起动开始的几个霍 尔扇区袁电角度不进行实时更新袁而是每隔 60毅电角 度更新一次袁当转速大于一定阈值后袁通过实时测得 的位置信号更新当前电角度遥
算原理的基础上袁对采用霍尔位置传感器的无刷直流电机矢量控制的起动策略进行研究袁分析对比方波控制与正
弦波控制在不同负载转矩时的起动性能遥 仿真与实验表明院为确保电机的平稳起动袁根据不同起动要求的场合袁可
以选择正弦波直接起动和方波切换正弦波起动袁该文研究的起动控制策略能有效拓宽无刷直流电机在低速大转矩
场合下的应用遥
ON
ON NC
OFF
C NC
OFF OFF NC
ON
ON
A ON
ON
ON/OFF OFF OFF OFF/ON
矢量控制 B OFF OFF/ON ON
ON
ON/OFF OFF
C ON/OFF OFF OFF OFF/ON ON
ON
制方式袁当转速达到某一设定值时切换为矢量控制 方式遥 检测到需要切换时袁并不进行立即切换袁而是 等到霍尔信号发生跳变时进行袁因为每次霍尔信号 跳变袁估计转子位置会进行一次校准袁这样转子位置 误差可降至最小遥 当速度再次小于稳定值时袁重新切 回方波控制袁为避免切换时出现震荡袁切换控制过程 采用滞环控制遥 2.2 正弦波直接起动方法
B
a
棕
域
芋
玉
S
郁
O遇
吁 b
NA c
C 图 1 三相霍尔安装位置示意图
a尧b尧c 代表三相霍尔传感器袁OA 尧OB尧OC 构成的坐 标系与三相定子绕组轴线对应袁N尧S 为转子遥
转子在旋转时袁霍尔位置传感器根据其旋转速 度输出频率可变的矩形波遥 当转子旋转一周袁产生的 霍尔信号为三路相位相差 120毅电角度的 180毅脉宽 的矩形波袁一个 360毅的电角度周期被划分为 6 个 60毅 的霍尔区间袁三相反电势与霍尔信号的对应关系如 图 2 所示遥 eA尧eB尧eC 为电机三相反电势袁Ha尧Hb尧Hc 为 三相霍尔信号袁三相霍尔信号将 360毅电角度划分的 6 个 60毅霍尔扇区分别对应霍尔扇区 I尧II尧III尧IV尧
第 42 卷第 8 期 2016 年 8 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.42 No.8 August，2016
doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.024
霍尔位置传感器无刷直流电机起动控制策略
荀 倩 1袁 吴 勇 2袁 王培良 1袁 蔡志端 1
2 起动控制策略
电机转速很低时袁由霍尔信号只能得到 6 个离散 的转子位置袁采用位置估算方法计算得到的角度增 量和转速误差较大袁因此电机起动过程需要进行特 殊处理遥 目前袁应用最广泛的 BLDCM 矢量控制起动 方法[4]分为两种院1冤方波切换起动袁起动之初采用两 两导通六步换相袁待电机加速到一定值后切换到根 据估算位置同步的矢量控制曰2冤直接正弦波起动袁起 动开始阶段即采用同步坐标矢量控制遥 2.1 方波切换起动方法
Abstract: To solve the problem of instability of Hall signal outputting when the motor is started at a low speed or operating at a very low speed袁 combining with the advantages of great output under square wave control and small torque ripple and low noise under vector control袁 a motor driver for square wave and sine wave controlled brushless DC motor based on Hall position sensor is designed. On the basis of analyzing the principle of Hall estimation袁 the starting strategy of vector control based brushless DC motor applying Hall position sensor is studied and the starting performances of square wave and sine wave controlled brushless DC motor under different load torques are compared. The simulation and experiment show that to ensure the starting stability of motor袁 direct sine wave starting and square wave and sine wave switching starting can be chosen according to the starting requirements under different circumstances. The starting control strategy researched in this paper has widely extended the application of brushless DC motor under lowspeed and high-torque conditions. Keywords: square wave control曰 vector control曰 Hall positon sensor曰 sine wave direct starting曰 square wave switching sine wave starting
本文在分析霍尔位置估算原理的基础上袁重点 对无刷直流电机矢量控制的起动策略做出了详细分 析与研究袁采用仿真与实验对方波切换起动方式与 直接正弦波起动方式的起动性能进行研究遥
1 霍尔位置估算原理
基于霍尔位置传感器的转速和转子位置估算 方法建立在电机稳定运行且能够准确获取转速尧位 置等信息的基础之上遥 通常情况下袁将 3 个霍尔元件 安装在空间相隔 120毅的圆周上袁相对于每一相定子 绕组超前 30毅或者 90毅电角度遥 以 1 对极电机为例袁 霍尔传感器超前 90毅安装的位置示意图如图 1 所示袁
文献[8]针对 BLDCM 绕组线尧霍尔输出信号线 与控制器的接法不匹配造成的电机出力小尧转矩脉动 增加的问题袁提出了一种电机转子位置自学习策略袁 经过一次位置自学习袁就可以正常运转袁解决了电机 起动时的控制信号不匹配问题遥 文献[9]对无刷直流 电机采用方波驱动与正弦波驱动方式的转矩-转速尧 转矩脉动性能进行了对比袁得到了正弦波控制特性 优于方波控制特性遥 文献[10]对方波驱动与正弦波驱 动模式的动态切换进行了研究袁但其切换点是由外 部按键进行控制袁并未根据转速或负载等原因造成 起动不成功情况进行分析袁不能进行自动切换袁没有 分析不同负载条件下的起动性能遥
收稿日期院2015-10-28曰收到修改稿日期院2015-11-23 基金项目院国家自然科学基金资助项目渊61573137冤
湖州市公益性技术应用研究计划项目渊2015GZ05冤 作者简介：荀 倩渊1990-冤袁女袁陕西汉中市人袁硕士袁专业方 向为电机控制尧电力电子与电力传动遥
0引言
无刷直流电机渊BLDCM冤具有结构简单尧调速范 围宽等优点[1]袁广泛应用于航空航天渊雷达伺服尧离心 泵尧舵机驱动尧惯性导航设备等冤尧交通工具渊纯电动 汽车尧混合电动汽车尧电动自行车等冤尧家用电器渊冰
摘 要院针对电机在低速起动或转速特别低时霍尔输出信号不稳定问题袁结合方波控制出力大与矢量控制转矩脉动
和噪声小的优点袁研究基于霍尔位置传感器的无刷直流电机方波与正弦波复合控制的电机驱动器遥 在分析霍尔估
第 42 卷第 8 期
荀 倩等院霍尔位置传感器无刷直流电机起动控制策略
119
箱尧洗衣机尧空调尧风扇等冤等领域[2]遥 无刷直流电机通常采用方波控制袁通过霍尔位置
传感器的输出信号确定转子位置袁其控制简单袁出 力大 袁 但 转矩 脉 动 和 噪 声较 大 [3]袁 已 不 能 满 足 要 求 袁 为减小转矩脉动和噪声袁已将矢量控制应用于无刷 直流电机中[4-6]袁而矢量控制在某些低速大扭矩场合 会存 在 起 动 不成 功 的 问 题 [7]袁 因 此 结 合 方 波 与 矢 量 控制的优点袁研究方波与正弦波复合控制的电机驱 动器可得到具有出力大尧转矩脉动和噪声小的控制 策略遥
表 1 霍尔状态与区间对应关系
霍尔区间 霍尔 a 霍尔 b 霍尔 c
起始角度
I
II
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60毅 120毅 180毅 240毅 360毅
转子的转向和位置区间确定之后袁就可以对转
子的具体位置信息进行估算遥 设某一相霍尔 180毅间
隔的时间为 驻t袁则在此区间内电机的平均电角速度
棕e 为
棕e =
仔 驻t
设 PWM 周期为 T袁一个电角度周期为 T1袁在每
个电角度周期内袁转子转动 2仔 rad袁则可以计算出
120
中国测试
2016 年 8 月
每个 PWM 周期的转子角度变化量为 2仔T/T1袁然后 在每次控制算法执行时在上一次角度的基础上对这 个角度变化量进行积分袁就可以实时估算出转子位 置角度 兹遥
一般情况下袁方波控制为两两导通控制方式袁逆 变器开关管采用上桥臂 PWM尧下桥臂恒通控制方式袁 同一时刻有两个开关管处于导通状态遥 而矢量控制 为三三导通模式袁同一时刻有 3 个开关管处于导通 状态袁且同一桥臂的两个开关管处于互补导通状态遥 因此袁必须考虑切换时开关管的导通状态以及转子位 置才能实现方波与正弦波的动态切换遥 根据霍尔信 号与转子位置的对应关系可得方波控制与矢量控制 时霍尔信号与开关管导通对应关系如表 2 所示遥 其 中袁野ON冶表示上桥臂开关管导通袁野OFF冶表示关断袁 野NC冶表示该相桥臂不导通遥
由表可知袁切换时只需要某一相开关管的导通 状态发生变化遥 方波切换控制实现过程如下院切换过 程完全通过软件编程实现袁 电机起动时采用方波控
表 2 霍尔信号与开关管导通关系
霍尔信号渊abc冤 001 101 100 110 010 011
A ON ON
NC
OFF OFF NC
方波控制 B OFF NC
V尧VI遥
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱeA
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0毅 60毅 120毅 180毅 240毅 300毅 360毅
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玉 域芋 郁吁 遇
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图 2 三相霍尔信号与反电势对应关系
可以得出霍尔状态与区间的对应关系如表 1 所 示遥 当电机连续运行时袁由变化的霍尔信号状态就可 以判断出电机转子所处的旋转方向和位置区间遥 假 定逆时针方向为正向袁 若霍尔信号由 110 状态转换 为 010 状态袁可以确定电机为正向旋转袁并且已经进 入霍尔区间 IV遥
关键词院方波控制曰矢量控制曰霍尔位置传感器曰正弦波直接起动曰方波切换正弦波起动
文献标志码院A
文章编号院1674-5124渊2016冤08-0118-05
Starting control strategy of brushless DC motor based on Hall rotor position sensor
XUN Qian1袁 WU Yong2袁 WANG Peiliang1袁 CAI Zhiduan1 渊1. School of Engineering袁Huzhou University袁Huzhou 313000袁China曰 2. British Witten electric Limited by Share Ltd袁Suzhou 215000袁China冤
采用直接正弦波起动方法袁在低速时通过 60毅分 辨率的位置信号能够获得电机需要转矩袁相比于两 两导通起动方式袁转矩脉动更小遥
电机起动时袁根据霍尔位置传感器输出信号得到 起动初始位置袁即转子所在当前霍尔扇区的中间位 置袁角度误差控制在依30毅范围内袁然后根据给定转速 或电流信息袁执行矢量控制算法袁通过 SVPWM 调制 计算出合成作用电压矢量遥 由于霍尔位置传感器输 出信号在起动过程中分辨率较低袁起动开始的几个霍 尔扇区袁电角度不进行实时更新袁而是每隔 60毅电角 度更新一次袁当转速大于一定阈值后袁通过实时测得 的位置信号更新当前电角度遥
算原理的基础上袁对采用霍尔位置传感器的无刷直流电机矢量控制的起动策略进行研究袁分析对比方波控制与正
弦波控制在不同负载转矩时的起动性能遥 仿真与实验表明院为确保电机的平稳起动袁根据不同起动要求的场合袁可
以选择正弦波直接起动和方波切换正弦波起动袁该文研究的起动控制策略能有效拓宽无刷直流电机在低速大转矩
场合下的应用遥
ON
ON NC
OFF
C NC
OFF OFF NC
ON
ON
A ON
ON
ON/OFF OFF OFF OFF/ON
矢量控制 B OFF OFF/ON ON
ON
ON/OFF OFF
C ON/OFF OFF OFF OFF/ON ON
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制方式袁当转速达到某一设定值时切换为矢量控制 方式遥 检测到需要切换时袁并不进行立即切换袁而是 等到霍尔信号发生跳变时进行袁因为每次霍尔信号 跳变袁估计转子位置会进行一次校准袁这样转子位置 误差可降至最小遥 当速度再次小于稳定值时袁重新切 回方波控制袁为避免切换时出现震荡袁切换控制过程 采用滞环控制遥 2.2 正弦波直接起动方法
B
a
棕
域
芋
玉
S
郁
O遇
吁 b
NA c
C 图 1 三相霍尔安装位置示意图
a尧b尧c 代表三相霍尔传感器袁OA 尧OB尧OC 构成的坐 标系与三相定子绕组轴线对应袁N尧S 为转子遥
转子在旋转时袁霍尔位置传感器根据其旋转速 度输出频率可变的矩形波遥 当转子旋转一周袁产生的 霍尔信号为三路相位相差 120毅电角度的 180毅脉宽 的矩形波袁一个 360毅的电角度周期被划分为 6 个 60毅 的霍尔区间袁三相反电势与霍尔信号的对应关系如 图 2 所示遥 eA尧eB尧eC 为电机三相反电势袁Ha尧Hb尧Hc 为 三相霍尔信号袁三相霍尔信号将 360毅电角度划分的 6 个 60毅霍尔扇区分别对应霍尔扇区 I尧II尧III尧IV尧
第 42 卷第 8 期 2016 年 8 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.42 No.8 August，2016
doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.024
霍尔位置传感器无刷直流电机起动控制策略
荀 倩 1袁 吴 勇 2袁 王培良 1袁 蔡志端 1
2 起动控制策略
电机转速很低时袁由霍尔信号只能得到 6 个离散 的转子位置袁采用位置估算方法计算得到的角度增 量和转速误差较大袁因此电机起动过程需要进行特 殊处理遥 目前袁应用最广泛的 BLDCM 矢量控制起动 方法[4]分为两种院1冤方波切换起动袁起动之初采用两 两导通六步换相袁待电机加速到一定值后切换到根 据估算位置同步的矢量控制曰2冤直接正弦波起动袁起 动开始阶段即采用同步坐标矢量控制遥 2.1 方波切换起动方法
Abstract: To solve the problem of instability of Hall signal outputting when the motor is started at a low speed or operating at a very low speed袁 combining with the advantages of great output under square wave control and small torque ripple and low noise under vector control袁 a motor driver for square wave and sine wave controlled brushless DC motor based on Hall position sensor is designed. On the basis of analyzing the principle of Hall estimation袁 the starting strategy of vector control based brushless DC motor applying Hall position sensor is studied and the starting performances of square wave and sine wave controlled brushless DC motor under different load torques are compared. The simulation and experiment show that to ensure the starting stability of motor袁 direct sine wave starting and square wave and sine wave switching starting can be chosen according to the starting requirements under different circumstances. The starting control strategy researched in this paper has widely extended the application of brushless DC motor under lowspeed and high-torque conditions. Keywords: square wave control曰 vector control曰 Hall positon sensor曰 sine wave direct starting曰 square wave switching sine wave starting
本文在分析霍尔位置估算原理的基础上袁重点 对无刷直流电机矢量控制的起动策略做出了详细分 析与研究袁采用仿真与实验对方波切换起动方式与 直接正弦波起动方式的起动性能进行研究遥
1 霍尔位置估算原理
基于霍尔位置传感器的转速和转子位置估算 方法建立在电机稳定运行且能够准确获取转速尧位 置等信息的基础之上遥 通常情况下袁将 3 个霍尔元件 安装在空间相隔 120毅的圆周上袁相对于每一相定子 绕组超前 30毅或者 90毅电角度遥 以 1 对极电机为例袁 霍尔传感器超前 90毅安装的位置示意图如图 1 所示袁
文献[8]针对 BLDCM 绕组线尧霍尔输出信号线 与控制器的接法不匹配造成的电机出力小尧转矩脉动 增加的问题袁提出了一种电机转子位置自学习策略袁 经过一次位置自学习袁就可以正常运转袁解决了电机 起动时的控制信号不匹配问题遥 文献[9]对无刷直流 电机采用方波驱动与正弦波驱动方式的转矩-转速尧 转矩脉动性能进行了对比袁得到了正弦波控制特性 优于方波控制特性遥 文献[10]对方波驱动与正弦波驱 动模式的动态切换进行了研究袁但其切换点是由外 部按键进行控制袁并未根据转速或负载等原因造成 起动不成功情况进行分析袁不能进行自动切换袁没有 分析不同负载条件下的起动性能遥
收稿日期院2015-10-28曰收到修改稿日期院2015-11-23 基金项目院国家自然科学基金资助项目渊61573137冤
湖州市公益性技术应用研究计划项目渊2015GZ05冤 作者简介：荀 倩渊1990-冤袁女袁陕西汉中市人袁硕士袁专业方 向为电机控制尧电力电子与电力传动遥
0引言
无刷直流电机渊BLDCM冤具有结构简单尧调速范 围宽等优点[1]袁广泛应用于航空航天渊雷达伺服尧离心 泵尧舵机驱动尧惯性导航设备等冤尧交通工具渊纯电动 汽车尧混合电动汽车尧电动自行车等冤尧家用电器渊冰