MH481線性霍爾傳感器的伺服電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

由于安裝在永磁同步電機(jī)定子上的線性霍爾傳感器的輸出模擬信號(hào)與轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例，與反電動(dòng)勢(shì)同相位，通過使用線性霍爾傳感器代替光電編碼器和開關(guān)爾傳感器可得到轉(zhuǎn)子的位置和速度信息;在此基礎(chǔ)上，給出一種不需要在靜止坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間相互變換，可以在靜止坐標(biāo)系中直接產(chǎn)生相電流命令的場(chǎng)定向控制算法。

一、設(shè)計(jì)思路

在現(xiàn)有基于開關(guān)霍爾傳感器和增量式光電編碼器的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)中，開關(guān)霍爾傳感器主要用來確定電機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的位置(精度為60°電角度)以便制器可以將電流輸入適當(dāng)定子繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)，同時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行過程中用于提供電流換向信號(hào)。光電編碼器要用于電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度計(jì)算。由于轉(zhuǎn)子位置信息是磁場(chǎng)定向控制方法中進(jìn)行坐標(biāo)變換、度控制、位置控制等運(yùn)算時(shí)必需的輸入信息，其采樣精度對(duì)制效果具有重要影響。

為了降低系統(tǒng)成本且保證控制性能，本文提出的新型交流伺服系統(tǒng)使用價(jià)格低廉的線性霍爾傳感器代替增量式光電編碼器和開關(guān)霍爾傳感器利用霍爾傳感器能夠敏感磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的特點(diǎn)通過對(duì)線性霍爾傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)、電流換向、轉(zhuǎn)子位置和信息反饋。

1.算法描述

以單極對(duì)永磁同步電機(jī)為例，將 3個(gè)線性爾傳感器以彼此相差120°電角度的方式安裝在定子上。由于永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)波形是正弦波當(dāng)線性霍爾傳感器處于正弦波氣隙磁場(chǎng)中時(shí)，其輸出電壓信號(hào)uh1、uh2、uh3與氣隙磁場(chǎng)分布的波形相同，且幅值固定，即：

uh1=Ksinθ

uh1=Ksin（θ-120°）

uh1=Ksin（θ+120°）

（式1）

式中，K =KhIhBm，為氣隙磁場(chǎng)基波霍爾電勢(shì)幅值;Kh為霍爾傳感器的霍爾電勢(shì)系數(shù)，單位為 V/(A*T);Ih為霍爾傳感器的勵(lì)磁電流，單位為 A；Bm為被敏感氣隙磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值，單位為T;θ=ωt,為轉(zhuǎn)子角速度，單位為rad/s。

由（式1）可知，轉(zhuǎn)子位置的任何變化都會(huì)使線性霍爾傳感器輸出信號(hào)改變，因此，可以從線性霍爾傳感器輸出信號(hào)中獲得轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速等信息。具體實(shí)現(xiàn)思路如圖所示

由圖可知，首先， 360°電氣角根據(jù)正負(fù)取值分為編號(hào)為1~6的6個(gè)區(qū)間每個(gè)區(qū)間為60°同時(shí)，建立一個(gè)0°~60的反正弦表格，表格精度為：

r= int(2An-1×sin60°)（式2）

其中， int()表示對(duì)括號(hào)中的數(shù)值進(jìn)行取整運(yùn)算:An表示所使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精度。

將線性霍爾傳感器輸出信號(hào) Ha、Hb、Hc行模數(shù)轉(zhuǎn)換，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果與轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)值之間的大小關(guān)系，如果轉(zhuǎn)換結(jié)果大于基準(zhǔn)值，則轉(zhuǎn)換結(jié)果取正號(hào)，否則取負(fù)號(hào);根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的正負(fù)，對(duì)照?qǐng)D1，即可確定電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前處于1~6哪個(gè)區(qū)間中;在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，該信息可用于確定轉(zhuǎn)子初始位置，在電機(jī)運(yùn)行中，該信息可用作電流換向信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)中開關(guān)霍爾傳感器能。

電機(jī)起動(dòng)后，利用上述方法判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前所處區(qū)間，在區(qū)間 1~6中，分別使用Ha、-Hc、Hb、-Ha、Hc、-Hb的模糊轉(zhuǎn)換結(jié)果在反正弦表格中查表，利用（式3）即可得到以角度方式描述的轉(zhuǎn)子位置，從而實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)中增量式光電編碼器的功能。

θ=θx+(n-1)×60°（式3）

式中，θ為轉(zhuǎn)子位置；θx為查表結(jié)果；n為轉(zhuǎn)子當(dāng)前所處的區(qū)間

得到轉(zhuǎn)子位置信息以后，計(jì)算轉(zhuǎn)子角度增量對(duì)速度采樣時(shí)間的微分，利用（式4）即可得到轉(zhuǎn)子速度：

ω（k）

（式4）

式中，ω(k)為第k時(shí)刻的轉(zhuǎn)子速度，單位rad/s;θ(K)為第k時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置，單位為rad;ΔT為速度采樣周期，單位為S，k表示速度采樣時(shí)刻。

需要注意的是，當(dāng)轉(zhuǎn)子角度從0°變化到360°，或從360°變化到0°的時(shí)候，直接利用（式4）計(jì)算轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致速度計(jì)算誤差。此時(shí)，可假設(shè)轉(zhuǎn)子速度在一個(gè)速度采樣周期內(nèi)的變化忽略不計(jì)，當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子角度增量太大時(shí)，用前一個(gè)采樣周期的角度增量代替，這樣，即可避免較大的速度估算誤差。

在上述轉(zhuǎn)子位置、速度檢測(cè)方法中，由于使用線性霍爾傳感器MH481代替了光電編碼器和開關(guān)霍爾傳感器，因此，大大降低了電機(jī)成本，減少了安裝工序和外圍器件；另外，由（式2）（式3）可知，只要模數(shù)轉(zhuǎn)換器和反正弦表格的精度夠高，就可以保證轉(zhuǎn)子位置、速度反饋信息的高精度。

二、產(chǎn)品應(yīng)用

總結(jié)

線性霍爾傳感器MH481有TO-92S、TSOT-23、QFN2020-3、QFN2020-6四種封裝形式，能適應(yīng)所有的檢測(cè)位置。