霍爾位置偏移對無刷直流電動機性能的影響
周俊杰，竇滿峰，董蓉
（西北工業(yè)大學）
摘要：針對 無刷直流電機中霍爾位置偏移對電機性能造成的影響進行分析討論，通過空間磁勢法理論研究霍爾位置偏移導致的電流超前導通和滯后導通情形時電機性能的差異，采用有限元分析軟件MagNet進行仿真驗證。通過分析驗證霍爾元件位置偏移對電機轉(zhuǎn)矩脈動、機械特性以及轉(zhuǎn)速的影響。 關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；電樞反應；弱磁；霍爾元件
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018( 2010) 07-0019-03
O引言
在無刷直流電動機中，來自霍爾位置傳感器的信號經(jīng)處理后按照一定的邏輯程序，驅(qū)動與電樞繞組相連接的功率開關(guān)晶體管在某一瞬間導通或截止，這個過程稱之為換相�；魻栐奈恢脹Q定其換相時刻，為了實現(xiàn)無刷直流電動機中****性能，必須同時滿足****換楣邏輯和****換相位置。
1問題描述
在死刷直流電動機中，為了獲得對稱的電勢和磁勢，霍爾元件一般放置在各相帶繞組的中間位置，可以放置在A、Z、B三個相帶的中間位置，即為60。間隔放置；也可以放置在A、B、C相帶位置，即為120度間隔放置，記為霍爾元件的理想位置。
在實際工程中，由于工裝誤差導致三個霍爾元件整體相對理想位置偏移或者轉(zhuǎn)子磁鋼安裝誤差導致磁鋼空間分布不對稱都會引起換相偏移****換相點。本文討論了霍爾元件位置偏移對電機性能的影響。
2霍爾元件位置偏移對電機性能的影響
2.1無刷直流電動機電樞反應特點
對于“兩相導通星型三相六狀態(tài)”工作方式下的永磁無刷直流電動機，一個磁狀態(tài)為60。電角度。圖l為理想換相過程，圖la為一個磁狀態(tài)的開始，此時繞組A、B通電，定子合成磁勢Fa和轉(zhuǎn)子合成磁F，f夾角為120度電角度，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的前半個磁狀態(tài)，磁勢。在d軸上表現(xiàn)為去磁作用，后半個磁狀態(tài)，磁勢Fa在d軸上表現(xiàn)為增磁作用。磁勢Fq在q軸上表現(xiàn)為交磁作用，當轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動時，g軸分量逐漸增加；達到****后又開始減小。圖lb為一個磁狀態(tài)結(jié)束時刻，此時電樞開始換相，繞組A、C通電，定子磷場步進60度電角度，以后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度電角度過程中的電樞反應情況與前一個60度內(nèi)基本相同。
定子磁勢Fa的直軸分量主要影響電機的每極磁通，從而影響電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。磁勢Fa的交軸分量與Ff相互作用影響電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動。
2.2霍爾元件位置偏移對電樞反應的影響
霍爾元件位置偏移導致電流與反電勢的相位角β≠o，β不同電樞反應的影響不同。由于無刷電機可以根據(jù)需要改變邏輯狀態(tài)，因此口的取值可以限制在0 -30度電角度之間。圖2為三種霍爾元件在不同位置的電機運行示意圖。霍爾元件順電機旋轉(zhuǎn)方向偏移，電流滯后導通；霍爾元件逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移，電流超前導通。在一個磁狀態(tài)60度電角度下分析霍爾元件不同位置時的電樞反應。
2.2.1霍爾元件在理想位置
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0度~ 30度電樞反應起去磁作用，θ變化范圍從60~90度；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30~ 60度，電樞反應起增磁作用，θ變化范圍從90~ 60度。
整個磁狀態(tài)，等效直軸總磁通勢變化量：
交軸磁通勢一個磁狀態(tài)平均值為：
電磁轉(zhuǎn)矩一個磁狀態(tài)的平均值為：
2 2 2霍爾元件順電機旋轉(zhuǎn)方向偏移β電角度，此時電流超前導通β電角度
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0~30度~β度，電樞反應起去磁作用，β度變化范圍從60度+β~ 90度；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30度+β~ 60度，電樞反應起增磁作用，θ變化范圍從90度—60度-β。
整個磁狀態(tài)，等效直軸磁通勢增加量
交軸磁通勢一個磁狀態(tài)平均值：
電磁轉(zhuǎn)矩一個磁狀態(tài)的平均值：
在整個狀態(tài)電樞反應起增磁作用，由于電機設(shè)計磁路一般都接近飽和，所以主磁通所受影響有限。由式（7）可知，空載轉(zhuǎn)速變化不是很明顯。
但相同負載轉(zhuǎn)矩下，隨著β在0-30度電角度內(nèi)的增加，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量不便。增磁的電流分量增加，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量不變，增磁的電流分量增加，總電流增加，轉(zhuǎn)速降增大，由（6）可知，此時較霍爾元件在理想位置電磁轉(zhuǎn)矩變小，轉(zhuǎn)矩脈動也變大。
2 2 3霍爾元件逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移β電角度，此時電流超前導通β電角度
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0~30度+β度，電樞反應起去磁作用，β度變化范圍從60度+β- 90度；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30度+β~ 60度，電樞反應起增磁作用，日變化范圍從90度—60度+β。
整個磁狀態(tài)，等效直軸磁通勢減小量：
交軸磁通勢一個磁狀態(tài)平均值：
電磁轉(zhuǎn)矩一個磁狀態(tài)的平均值為：
β=0時，等效直軸總磁通勢不變；O<β<30度時，當電流超前導通角大于零時，直軸磁通勢減小，根據(jù)無刷直流電動機的外特性公式：
可知電機空載轉(zhuǎn)速上升，機械特性變軟；交軸磁通勢減小，電機電磁轉(zhuǎn)矩減小。由式(lO)可知，此時較霍爾元件在理想位置電磁轉(zhuǎn)矩變小，轉(zhuǎn)矩脈動也變大。
3有限元仿真
為驗證以上理論分析，針對額定電壓為270 V、額定轉(zhuǎn)速為3 800 r/min、額定轉(zhuǎn)矩為45 N．m的表貼式徑向勵磁永磁無刷直流電動機，利用有限元分析軟件進行了仿真，通過對功率管導通角的設(shè)定來模擬不同的霍爾元件位置分別對電流正常導通、電流超前導通、電流滯后導通進行仿真，研究電機性能的差異。
在模型建立過程中，按照創(chuàng)建幾何模型、設(shè)定物理屬性、網(wǎng)格剖分，然后對控制電路分別按上述三種不同換相時刻進行設(shè)置，分別建立模型。對三種模型分別做不同負載轉(zhuǎn)矩的仿真，采用相同的仿真步長和計算誤差，設(shè)置保證電機達到穩(wěn)態(tài)運行的仿真時間.
圖3分別為霍爾元件順電機旋轉(zhuǎn)方向偏移30度電角度和霍爾元仲逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移30度電角度時與霍爾元件在理想位置時在相同的負載轉(zhuǎn)矩下的電磁轉(zhuǎn)矩曲線對比圖。從圖3可以看出，兩種霍爾元件偏移的情況較霍爾元件在理想位置轉(zhuǎn)矩脈動都有所增加。
由圖4可知：
(1)由于電機磁路基本達到飽和，四條機械特性曲線在空載點重合；
(2)隨β增大，相同轉(zhuǎn)矩下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量相等，但總電流增大，轉(zhuǎn)速降增大；
(3)由于在同一β危下，負載轉(zhuǎn)矩成線性變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量線性變化，總電流非線性變化，所以機械特性是一條曲線；
(4)霍爾元件順電機旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度，對電機機械特性影響不大，偏移角度大于15度電角度時機械特性嚴重變形；
(5)霍爾元件順電機旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度，對小于額定負載段的機械特性曲線基本不影響，大于額定負載段的機械特性變軟。
由圖5可知：
(1)由于磁通變化和電流交直軸分量的變化都是非線性的，所以機械特性是一條曲線；
(2)霍爾元件逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度，對電機機械特性影響不大，偏移角度大于15度電角度時機械特性嚴重變形；
(3)霍爾元件逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度．小于額定負載段的機械特性曲線變軟，對大于額定負載段的機械特性基本沒有影響；
(4)在恒轉(zhuǎn)矩負載下，β越大轉(zhuǎn)速越高。
為得到更大的升速空間，可以逼過改變邏輯狀態(tài)來增大β。但β增加也有范圍，當o<β<60度時，β越大升速空間越大；β=60度時，去磁磁勢達到****，但電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機無法運行；60度<β<90度時，去磁磁勢仍隨日增大而增大，但出現(xiàn)制動轉(zhuǎn)矩．β= 90度時，平均電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機無法正常工作。
在恒轉(zhuǎn)矩負載下，轉(zhuǎn)速上升，必然導致電流增大，輸出功率增大，此時電機發(fā)熱嚴重、損耗增大、效率下降，電機不宜長時運行于此狀態(tài)下。
4結(jié)論
本文通過理論分析和有限元分析軟件驗證的方i式對表貼式無刷直流電動機中霍爾元件位置不同時i電機特性做了研究討論，并得出結(jié)論：
(1)霍爾位置相對理想位置偏移電機轉(zhuǎn)矩脈動：增大，偏移角度越大，轉(zhuǎn)矩脈動越大；
(2)對于工裝產(chǎn)生的誤差導致霍爾元件位置偏移，無論向哪個方向偏移，只要偏差角度不大對機械特性影響不大，如果偏移角度變大，機械特性曲線變形，嚴重影響電機性能。
(3)對于霍爾元件小角度的偏移，霍爾元件順電機旋轉(zhuǎn)方向偏移主要影響大于額定負載段的機械特性，霍爾元件逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移主要影響小于額定負載段的機械特性。
(4)霍爾元件逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移，電機機械特性向上移動，霍爾元件順電機旋轉(zhuǎn)方向偏移．電機機械特性向下移動；
(5)霍爾元件逆電機旋轉(zhuǎn)方向偏移范圍在0～60度角度越大調(diào)速范圍越大，實際工程中可來實現(xiàn)。
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