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(jī)的i大組成部分之一，其作用是檢測電機(jī)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(jī)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(jī)的影響，并用Matlab建立了無刷電機(jī)的仿真模型，對其進(jìn)行了仿真，最后給出了兩種狀態(tài)F電機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)矩波形。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；Hall傳感器；故障；位置誤差；仿真
中圖分類號：TM36+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：10。1—6848(2010)08一002I_04
O引 言
無刷直流電機(jī)是隨著電力電子技術(shù)、微型計算機(jī)及稀土永磁材料的發(fā)展而出現(xiàn)的一種薪型電機(jī)。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(jī)是由電動機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子位囂就無法確定或存在誤差，電機(jī)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(jìn)行了分析，并采用Matlab建立了無刷直流電機(jī)的仿真模型，對上述兩種情況對電機(jī)性能的影響進(jìn)行了仿真。
1無刷直流電機(jī)仿真模型的建立
1.1無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
假定無刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)影響的分析
Hall傳感器的作用是感知電機(jī)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(jī)能夠正常的換相。表1是電機(jī)正轉(zhuǎn)時的換相邏輯{1}。
1．2無刷直流電機(jī)的仿真模型
根據(jù)上述無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立無刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)不能實現(xiàn)正常的換相，從而使得電機(jī)不能正常工作或性能下降。以Hall A發(fā)生故障為例進(jìn)行分析。如果Ha=l，則Q2=Q3=O，T2和T3始終不導(dǎo)通。如果電機(jī)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，則電機(jī)將有可能無法正常啟動；如果電機(jī)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(fù)向電流也將始終為零，出現(xiàn)了缺相狀態(tài)。這樣，電機(jī)三相電流的波形都產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，從而導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動加大，影響電機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)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(jī)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(yán)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(jī)的電流波形產(chǎn)生了畸變，從而使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動增加。特別是在電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較低的情況下，電機(jī)的換相周期比較長，HaIl的信號失真就會更加明顯，對電機(jī)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(jī)性能的影響進(jìn)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(jī)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(jī)影響的仿真
電機(jī)首先正常啟動，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后在O.03 s時使得Ha=1，此狀態(tài)下的電機(jī)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(fù)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(jī)雖然還能夠運行，但如果不采取保護(hù)措施，電機(jī)長時問運行在這種狀態(tài)下，會導(dǎo)致電機(jī)或控制器嚴(yán)重發(fā)熱，損壞其它設(shè)備。
4.2 HaIl位置誤差對電機(jī)影響的仿真
由于電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的仿真模型，對Hall傳感器的故障及位置誤差對電機(jī)的影響進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，兩種狀態(tài)下，電機(jī)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(jī)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(jī)故障保護(hù)及提高電機(jī)運行性能提供了重要的理論依據(jù)。
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