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马宁;吕晶薇;高小松;刘洋;孙利
【摘 要】直流无刷电机在工业中应用广泛,其采用电子换相装置,具有维修费用低、寿命长、效率高和安全性好的特点,直流无刷电机主要的电子换向装置是霍尔式转速传感器.霍尔位置传感器由于其体积轻巧、使用方便已经成为直流无刷电机配备的主要传感器,可实现电机转动位置的测量,进而控制电机的换向.针对霍尔位置传感器工作时易受到电机绕组产生的电磁场干扰的问题,通过对霍尔传感器空间安装位置和绕组相电流的对比试验,研究不同磁场强度下,霍尔传感器转动位置测量的偏差,以及对换向时序的影响,出影响直流无刷电机工作的因素为霍尔传感器安装位置和相电流控制,并根据试验结果提出减少干扰的方法,从而防止电机换向时由于干扰导致时序紊乱而引发的电机失控现象.
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2019(000)007
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】直流无刷电机;霍尔传感器;电机绕组;电磁场;干扰;时序紊乱
【作 者】马宁;吕晶薇;高小松;刘洋;孙利
【作者单位】北京卫星制造厂有限公司,北京 100094;北京卫星制造厂有限公司,北京 100094;北京卫星制造厂有限公司,北京 100094;北京卫星制造厂有限公司,北京 100094;北京卫星制造厂有限公司,北京 100094
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【正文语种】中 文
【中图分类】TH16
直流电机(Direct Current machine)可以实现直流电能和机械能互相转换。其优点包括维修费用低、运转距离较大、启动特性和调速特性优秀、调速性能好、调速范围广且平滑、过载能力较强和受电磁干扰影响小。因此直流电机在各领域都有着广泛的应用。眼模
早期的直流电机通过电刷进行换向，被称为直流有刷电机，但由于电刷在换向时会产生电火花，既造成了换向器的电腐蚀，还是无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害影响。
电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。因此安全可靠性使电机的使用受到了限制。直到1955年，诞生了直流无刷电机(Brushless DC Motor，BLDCM)，其采用电子换相装置，取消了电刷和换向器，因而维修费用更低，寿命更长，效率更高，安全性更好，逐渐成为应用首选。
直流无刷电机主要的电子换向装置是霍尔式转速传感器，其是在霍尔传感器的基础上设计的测速传感器，属于体型磁敏式传感器，是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的传感器，属于无源传感器。本文主要研究霍尔传感器在直流无刷电机中安装位置与其在相电流产生的磁场环境下受干扰程度的影响关系，为实现直流无刷电机更稳定的控制状态提供参考[1]。
1 直流无刷电机组成
1.1 直流无刷电机本体
直流无刷电机在结构上主要包括定子和转子：定子的主要作用是产生磁场，多为三相对称电枢绕组结构，3个定子在空间上互差120°，一般采用星形联结或三角形联结；转子的主
要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，又称为电枢。三相直流无刷电机内部结构图如图1所示，三相直流无刷电机静态等效电路图如图2所示。
图1 三相直流无刷电机内部结构图
图2 三相直流无刷电机静态等效电路图
1.2 霍尔传感器
霍尔传感器(速度传感器)安装于电机的尾部，一般安装3个，每一个霍尔传感器分别感应定子绕组的一相，其作用是检测主转子的位置，并把它变成电平信号，3个霍尔传感器的信号形成排列组合，通过解算这组信号的变化，得知转子的转动位置，根据位置控制开关电路，使得和各相绕组相连接的电子开关电路，通过控制开关的导通和截止的方式使各相绕组中的电流方向按一定顺序切换，实现无接触式的换向。
霍尔传感器属于磁敏传感器，利用电流磁效应的原理，霍尔传感器的位置检测器与电机安装保持同轴。其在磁场作用下产生霍尔电势，将霍尔电势整形、放大后输出的电平信号，就是原始的位置信号。霍尔元件在空间上的分布中角度上互差120°/p(p为电机极对数)。当
转子依次经过霍尔元件时，由于极性不同，会产生出三相互差120°电角度、宽180°电角度的方波位置信号，这个信号就是所需要的转子磁极的空间位置信息[2-3]。四对极直流无刷电机霍尔安装位置后视图和侧面图分别如图3和图4所示。实验室废液桶
图3 四对极直流无刷电机霍尔安装位置后视图
图4 四对极直流无刷电机霍尔安装位置侧面图
2 直流无刷电机驱动控制
2.1 直流无刷电机的基本工作原理
直流无刷电机的结构和普通的直流有刷电机相反，将电枢放到定子上，转子制成永磁体。根据hall-sensor感应到的电机转子所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。
直流无刷电机驱动电路原理图如图5所示。直流无刷电机的驱动器由功率管和集成电路等构成，驱动器的功能为：接受控制电动机的急停以及制动信号；接受位置信号和正反转信号，根据这些信号控制功率管的通断产生转矩；接受速度信号，从而调整转速；还可以提供过流保护以及显示等其他功能[4-6]。
图5 直流无刷电机驱动电路原理图
2.2 霍尔传感器的信号物联网天线
由霍尔效应原理可知，霍尔元件通过磁感应强度发生改变，使其两端产生霍尔电压，通过传输放大将信号送至驱动器内，经过数据处理，可以转化为电机的转速，形成转速闭环反馈。
顾婷婷是什么梗三相直流无刷电机转动后，霍尔传感器的波形如图6所示。
图6 霍尔传感器(三相)波形
三相霍尔传感器的信号每两相之间相差120°，按照一定的相序规则，才能使电机转动起来，一旦相序错乱或者信号差超过允许偏差临界值，直流无刷电机就无法正常工作。
3 直流无刷电机控制受干扰因素
根据上述工作原理以及系统组成，直流无刷电机在工作时容易受到干扰的为霍尔传感器。由于霍尔传感器的工作原理为感应绕组产生的磁场，因此如出现更强的磁场干扰到霍尔传感器的感应状态时，直流无刷电机就会出现失控现象。
干扰因素可分为内部干扰和外界干扰，由于霍尔传感器安装在直流无刷电机内部，在电机本体外部还有一层金属壳体，可以防护绝大部分的外部干扰，因此对于直流无刷电机，内部干扰为主要的干扰因素。
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