王剛，劉景林，王立
(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072)
摘要：Hall位置傳感器是無刷直流電機的i大組成部分之一，其作用是檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，為電子開關(guān)提供正確的換相信號，它的性能直接影響著電機的運行。該文研究了Hall傳感器的故障以及位置誤差對尤刷電機的影響，并用Matlab建立了無刷電機的仿真模型，對其進行了仿真，最后給出了兩種狀態(tài)F電機的相電流和轉(zhuǎn)矩波形。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；Hall傳感器；故障；位置誤差；仿真
中圖分類號：TM36+1 文獻標志碼：A 文章編號：10。1—6848(2010)08一002I_04
O引 言
無刷直流電機是隨著電力電子技術(shù)、微型計算機及稀土永磁材料的發(fā)展而出現(xiàn)的一種薪型電機。因其具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、高效率以及優(yōu)良的調(diào)速性能等優(yōu)點，近年來逐漸在各個領(lǐng)域獲得r越來越廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機是由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和控制器三大部分組成的。轉(zhuǎn)子位置傳感器作為無刷直流電動機不可缺少的三大主要部件之一，其性能影Ⅱ向著整個系統(tǒng)的可靠性。如果轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)生故障或者位置存在偏差，電機的轉(zhuǎn)子位囂就無法確定或存在誤差，電機的正常換相就會受到影響。本文就Hall位置傳感器發(fā)生故障以及傳感器位置誤差兩種狀態(tài)進行了分析，并采用Matlab建立了無刷直流電機的仿真模型，對上述兩種情況對電機性能的影響進行了仿真。
1無刷直流電機仿真模型的建立
1.1無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型
假定無刷直流電機工作在二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)下(其結(jié)構(gòu)如圖1)，反電勢波形是平頂寬度為120。電角度的梯形波，電機在工作過程中磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完傘對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱，電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布{1}。
設(shè)ua、ub、uc。為定子繞組相電壓；ia、ib、ic。為定子繞組相電流；ea、eb、ec。為定子繞組反電動勢；r為定子繞組電阻；L為定子繞組自感；M為定子繞組兩相互感；p為微分算子。三相繞組電壓方程為：
2 Hall故障對電機影響的分析
Hall傳感器的作用是感知電機轉(zhuǎn)子的位置信號，然后通過一定的譯碼邏輯，產(chǎn)生六個功率開關(guān)T1～T6的導(dǎo)通信號Ql～Q6(如圖1)，使得電機能夠正常的換相。表1是電機正轉(zhuǎn)時的換相邏輯{1}。
1．2無刷直流電機的仿真模型
根據(jù)上述無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型建立無刷直流電機的仿真模型如圖2所示，包括了電壓平衡式模塊、轉(zhuǎn)矩模塊、轉(zhuǎn)速模塊、反電勢及Hall信號產(chǎn)生模塊、逆變器模塊以及邏輯換相模塊。
如果Hall傳感器發(fā)生故障，則其輸出信號就不隨電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化，而是始終保持為邏輯高電平或低電平。這樣，按照上面的譯碼邏輯，功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序就會發(fā)生改變，導(dǎo)致電機不能實現(xiàn)正常的換相，從而使得電機不能正常工作或性能下降。以Hall A發(fā)生故障為例進行分析。如果Ha=l，則Q2=Q3=O，T2和T3始終不導(dǎo)通。如果電機處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，則電機將有可能無法正常啟動；如果電機正處于運行狀態(tài)，則B相的正向電流將始終為零，而c相的負向電流也將始終為零，出現(xiàn)了缺相狀態(tài)。這樣，電機三相電流的波形都產(chǎn)生了嚴重的失真，從而導(dǎo)致電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動加大，影響電機的正常運行。同理如果Ha=O，則Q5=Q6=O，和始終不導(dǎo)通，則B相的負向電流將始終為零，而c相的正向電流也將始終為零，對電機的影響和Ha=l時是相同的{2}。
3 Hall的位置誤差對電視影響的分析
理想情況下，無刷直流電機的三個Hall傳感器的輸出信號之問相差120。電角度。而在多極電機中或者由于安裝精度的原因，Hall傳感器的信號就會產(chǎn)生一定的失真，它們之間的相位差不再是嚴格的電角度，而是存在一定的偏差，這樣，根據(jù)前面的譯碼邏輯。六個功率管的導(dǎo)通時間就不再相同，有的功率管的導(dǎo)通時間長，有的導(dǎo)通時間短。這樣，電機的電流波形產(chǎn)生了畸變，從而使得電機的轉(zhuǎn)矩波動增加。特別是在電機的轉(zhuǎn)速比較低的情況下，電機的換相周期比較長，HaIl的信號失真就會更加明顯，對電機的影響也更大。
4仿真結(jié)果及分析
利用建市的仿真模型，對Hall的故障和位置誤差兩種狀態(tài)對電機性能的影響進行仿真，仿真參數(shù)如下：額定電壓為28 V，額定轉(zhuǎn)矩為0.06 Nm，相反電勢系數(shù)為O.00704V·min／r．相電阻4.5Ω，電感L一M=5×10-3H，極對數(shù)為4，轉(zhuǎn)動慣量為5×10-6N.m.s2。
無刷直流電機在正常工作狀態(tài)下的相電流和轉(zhuǎn)矩波形分別如圖3和4所示{3-4}。
4.1 HaII故障對電機影響的仿真
電機首先正常啟動，進入穩(wěn)態(tài)以后在O.03 s時使得Ha=1，此狀態(tài)下的電機a、b、c二三相相電流波形及轉(zhuǎn)矩波形分別如圖5和6所示。出現(xiàn)故障以后，三相電流波形均產(chǎn)生畸變，B相負向電流和c相『F向電流均為零，三相電流的峰值足正常狀態(tài)下的好幾倍，電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了急劇的波動。電機雖然還能夠運行，但如果不采取保護措施，電機長時問運行在這種狀態(tài)下，會導(dǎo)致電機或控制器嚴重發(fā)熱，損壞其它設(shè)備。
4.2 HaIl位置誤差對電機影響的仿真
由于電機的極對數(shù)較多，如果三個Hall信號之間的相位差相差比較小的機械角度，則電角度就會相差比較大。假設(shè)Ha和Hc的相位分別偏移了電角度，如圖7所示，則電機的相電流和轉(zhuǎn)矩波形如圖8和9所示。A相和c相的導(dǎo)通時間增加，而B相的導(dǎo)通時間減小，電流波形出現(xiàn)畸變，電流尖峰增加，轉(zhuǎn)矩脈動也有所增加。這種狀態(tài)不會影響電機的正常運行，但是不易在精度要求高的場合使用。
5結(jié)論
本文采用Matlab建立了無刷直流電機的仿真模型，對Hall傳感器的故障及位置誤差對電機的影響進行了仿真。結(jié)果表明，兩種狀態(tài)下，電機的電流波形均發(fā)生_廣不同程度的畸變，轉(zhuǎn)矩脈動均增加，導(dǎo)致電機的性能出現(xiàn)不同程度的下降。本文所得結(jié)論為無刷直流電機故障保護及提高電機運行性能提供了重要的理論依據(jù)。
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