永磁電動(dòng)機(jī)HALL精度對(duì)電流諧波影響的研究

李 寧 任麗君 李祖光

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種采用電子控制換向的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最廣泛，通常環(huán)境情況下，多數(shù)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)采用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，使電機(jī)具有較好的性能[1]。

從電機(jī)控制層面講，三相電流相位、位置信號(hào)、速度計(jì)算及電壓等出現(xiàn)偏差波動(dòng)，均會(huì)產(chǎn)生電磁噪音。空調(diào)風(fēng)扇用的永磁電機(jī)，受成本制約，大多采用HALL傳感器來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。開關(guān)式HALL位置傳感器具有體積小、成本低、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[2]。但HALL傳感器安裝誤差或者檢測(cè)信號(hào)誤差會(huì)引起電流畸變率增大，從而帶來電磁噪音的隱患。

HALL傳感器通常安裝在電機(jī)內(nèi)部，無法直觀的去判斷HALL位置有無誤差，本文將通過借助仿真軟件來模擬HALL傳感器工作原理，通過仿真分析，定性的計(jì)算因HALL信號(hào)誤差對(duì)電流諧波的影響。

1 原理簡(jiǎn)述

HALL傳感器檢測(cè)主要通過檢測(cè)HALL狀態(tài)變化情況得到轉(zhuǎn)子磁體的位置及旋轉(zhuǎn)方向等信息，來估算轉(zhuǎn)速和磁體的位置信號(hào)。三相HALL檢測(cè)的方式可提高獲得磁體位置信息的準(zhǔn)確度及估算精度。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，HALL通過檢測(cè)現(xiàn)有霍爾信號(hào)及與上一狀態(tài)對(duì)比，可以通過設(shè)計(jì)算法估算得出轉(zhuǎn)子磁極位置及速度信號(hào)[3]。假設(shè)3個(gè)霍爾分別用A、B、C來區(qū)別，在六個(gè)狀態(tài)區(qū)間內(nèi)，若令θ為該區(qū)間的初始磁極角度，對(duì)應(yīng)的HALL輸出波形組圖如圖1。

圖1 HALL輸出波形圖

在一個(gè)電周期內(nèi)，即轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極轉(zhuǎn)角內(nèi)，當(dāng)其受N及S二個(gè)不同極性磁場(chǎng)的作用時(shí)，將呈現(xiàn)出“高電平”及“低電平”（或者相反）兩個(gè)不同的狀態(tài)，這兩個(gè)不同的狀態(tài)所占的電角度相等，各為180 °。把三個(gè)相互錯(cuò)開60°電角度的波形組合在一起，就可以看出究竟能產(chǎn)生多少開關(guān)狀態(tài)。從圖1可以看出，這種組合的霍爾位置傳感器能產(chǎn)生六個(gè)不同的開關(guān)狀態(tài)。而霍爾輸出狀態(tài)表如表1所示。

表1 霍爾輸出狀態(tài)表

當(dāng)HALL設(shè)計(jì)或機(jī)械位置出現(xiàn)偏差時(shí)，會(huì)影響轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，進(jìn)而會(huì)引起反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)誤差，會(huì)導(dǎo)致控制器算法對(duì)速度估算的周期性偏差，引起電流出現(xiàn)畸變，給電機(jī)帶來振動(dòng)及噪音的影響。圖2為霍爾位置與電機(jī)定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置圖。

圖2 霍爾與定子位置圖

本文應(yīng)用MATLAB軟件，搭建HALL傳感器角度和轉(zhuǎn)速估算模型，通過仿真評(píng)估永磁電動(dòng)機(jī)HALL角度實(shí)際應(yīng)用時(shí)偏差對(duì)電機(jī)的電流諧波產(chǎn)生影響，分析電機(jī)電磁噪音與振動(dòng)，為永磁電動(dòng)機(jī)開發(fā)提供了一種諧波分析的簡(jiǎn)易方法。

2 仿真計(jì)算

結(jié)合現(xiàn)有程序中對(duì)HALL傳感器角度和轉(zhuǎn)速估算過程，在MATLAB平臺(tái)上搭建對(duì)應(yīng)仿真模型。MATLAB中的Simulink是一個(gè)用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)于建模和模型設(shè)計(jì)的平臺(tái)，可應(yīng)用與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理和同心及圖像處理等多個(gè)領(lǐng)域[4]。

2.1 仿真模型建立

仿真模型包括以下幾個(gè)部分：HALL區(qū)間選擇、電機(jī)轉(zhuǎn)向判斷、初始角度給定、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、估算出來的角度限制等各個(gè)部分組成。各個(gè)部分通過編寫程序，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能，引用MATLAB中的Simulink中的庫中模塊來實(shí)現(xiàn)具體功能，各模塊統(tǒng)一后形成了整個(gè)仿真系統(tǒng)模型。具體模型搭建各部分如圖3～8所示。

圖3 HALL轉(zhuǎn)速及角度計(jì)算模塊

圖4 HALL區(qū)間劃分模塊

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)向判斷模塊

圖6 初始角度給定模塊

圖7 電機(jī)加速度及轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊

圖8 估算角度限制模塊

2.2 仿真結(jié)果分析

HALL估算角度與電機(jī)實(shí)際輸出角度如圖9所示。灰線為HALL估算出來角度，粗黑線為電機(jī)實(shí)際角度。從圖9可以看出，穩(wěn)定后仿真與電機(jī)實(shí)際角度能保證重合。說明采用以上模塊仿真結(jié)果與電機(jī)實(shí)際應(yīng)用基本相同，仿真可以達(dá)到評(píng)估效果。

圖9 估算角度對(duì)比圖

永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為600 RPM，實(shí)際電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速波形如圖10所示，仿真出來的波形圖能較好的跟蹤轉(zhuǎn)速變化而變化。因此可以通過此種輸出來評(píng)估電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速及波動(dòng)情況。

圖10 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速波形圖

根據(jù)前面搭建的仿真模型，HALL角度不存在偏差時(shí)，電流波形如圖11所示。

圖11 電流波形圖

電流諧波FFT分析如圖12所示。

圖12 電流FFT分析圖

假設(shè)A相HALL偏差1 °時(shí)，角度偏差較小時(shí)電流波形外觀無直觀差異，所得波形如圖13所示。

圖13 A相偏差1 °波形影響圖

假設(shè)AB相HALL各偏差1 °時(shí)，電流諧波FFT分析所得如圖14波形。

圖14 AB相偏差1 °波形影響圖

通過仿真，對(duì)HALL單相偏差1 °～ 5 °，兩相偏差1 °～ 2 °，三相各偏差1 °等對(duì)電流諧波的影響分析，總結(jié)如表1所示。

表1 匯總表

從各相霍爾出現(xiàn)角度偏差的仿真結(jié)果來看。當(dāng)電機(jī)單相霍爾角度偏差越大，電機(jī)電流諧波的總值越大，且諧波的波次也隨之增多，故分析對(duì)電機(jī)電磁噪音及性能會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)兩相霍爾角度偏差時(shí)，其中一相增加偏差量，電機(jī)的諧波含量總值變化不大。當(dāng)電機(jī)三相霍爾角度均出現(xiàn)偏差時(shí)，電機(jī)的諧波含量總值較單相角度變化相差不大。故僅一相霍爾角度出現(xiàn)較大偏差時(shí)，對(duì)電機(jī)電流諧波的影響最高，設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)注意此點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文通用應(yīng)用MATLAB軟件，搭建HALL仿真模型，通過結(jié)合HALL在永磁電機(jī)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的情況，模擬仿真了HALL偏差對(duì)電機(jī)諧波的影響情況，通過與實(shí)際電機(jī)對(duì)比，驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。為電機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)提供一定的方法依據(jù)。本文實(shí)際仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)單相霍爾出現(xiàn)偏差時(shí)，對(duì)電機(jī)電流諧波的影響更高。在電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免此種情況。