浅谈直流无刷电机霍尔位置传感器的偏离影响.pdf
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1、2023.7 下 EPEM 319电力装备Electric Equipment浅谈直流无刷电机霍尔位置传感器的偏离影响西安航天动力测控技术研究所 杨 凡 吴连波 马彬彬 杨龙星 刘作昌摘要:本文围绕霍尔传感器因机械安装偏移、霍尔元件本身信号不对称两方面进行探讨,探讨分析霍尔位置传感器偏离对电机输出性能的影响。关键词:霍尔位置传感器偏移;永磁直流无刷电机;性能影响永磁无刷直流电动机由电机本体、位置传感器和驱动电路三部分组成1。其中,是否具备位置传感器是区别于永磁有刷直流电机的主要标志。位置传感器在电机组件里面起到的作用为,检测旋转组件即电机转子因受到电机定子电磁力而旋转时的转动位置,同时将旋转组
2、件即电机转子中主磁钢磁极的位置信号转换成离散状态的电信号,从而将对应的换相信息传递至逻辑开关电路,用以控制三相绕组其中两项的导通与截止,从而引导电动机电枢绕组中的电流,随着旋转组件即电机转子位置的变化按次序换相,从而在电机定转子气隙之间形成步进式的旋转磁场,驱动永磁体转子连续不断地旋转。方波驱动型永磁无刷直流电动机的位置传感器主要分为三大类,分别是电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器。磁敏式位置传感器主要利用了半导体元件对磁场具有敏感性,这种敏感性常被称作磁阻效应或者霍尔效应。通常把呈现出霍尔效应原理的霍尔元件、霍尔集成电路统一称作霍尔效应磁敏传感器,又简化称为霍尔传感器。本文
3、中探讨的位置传感器为磁敏式传感器,典型应用的就是霍尔传感器2。霍尔位置传感器基于霍尔效应原理,采用集成封装和组装工艺进而制作而成。霍尔位置传感器这种集成电路工艺表现为拥有必要的外围电路且内部集成了霍尔元件,因此容易将感应到的磁场信号转化成较易识别的电信号,并且环境耐受性较强,工作可靠性高。霍尔位置传感器是近年来为适应信息采集的需要而迅速发展起来的一种新型传感器。霍尔位置传感器的特点主要是无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高,借助塑封材料包封成整体,能够适应多种恶劣环境且具备可靠工作的能力。因为霍尔位置传感器体积小、结构简单、方便灵活安装、易于实现机电一体化,且价格经济,故目前应用极为广泛3-
4、4。霍尔传感器按照实际起到的功能分为:开关型霍尔传感器和线性型霍尔传感器,本文中讨论的霍尔位置传感器为开关型。1 问题描述在直流无刷电动机的常规设计中,为了电机输出性能参数呈现正反对称特性,采取的惯用方法为设定霍尔位置传感器使其与各相绕组磁势轴线的位置一一对应5。这里所提到的位置是仅考虑电机转动组件主磁钢产生的磁场,也就是通常说的空载情况。当电机处于带载状态时,电机中有电枢反应存在,会导致电机静止部件和转子部件形成的气隙磁场发生畸变,从而电机磁场零点会有一定的位移,因此严格意义上来说,仅按照空载磁场确定的传感器位置在负载条件下不是最佳的,这在本文中不做深入讨论。在实际位置传感器的应用过程中发现
5、,影响位置传感器正确位置的因素繁多,主要涵盖传感器本体自身特性、传感器元件极性的对称性、电机本体320 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment定子与转子相对应的结构、定子绕组嵌套的方式、电机转动部件中主磁钢位置与传感器磁钢的相对位置,以及控制器自身规定的换相逻辑,在本文的讨论中,将这些复杂因素一一弱化,只考虑实际中存在的影响因素。在实际生产电机产品的过程中,常通过将位置传感器集成到印制电路板上,通过转动印制电路板引导位置传感器的相对位置从而为电机换相找到最佳换相点,使电机达到理想的运行效果。当电机空间受限时,印制电路板转动调试困难,往往会出现机械的偏移,加上霍尔
6、元件感应磁场输出高低电平的不对称,两者导致霍尔位置传感器的信号偏离,这种信号偏离会导致电机在以“两相导通星形三相六状态”工作时,每两相绕组导通状态持续的时间有差别,进而导致电机输出性能的波动。本文通过分析霍尔位置传感器在实际调试过程中的物理位置偏移、霍尔元件感应磁场输出高低电平的不对称,分析两种情况同时存在时,对电机输出性能造成的影响,并借助 ANSYS 有限元分析软件进行仿真验证。2 霍尔位置传感器的偏离与影响2.1 霍尔位置传感器的偏离霍尔位置传感器在结构设计上与电动机本体如出一辙,分成静止部分和转动部分,即位置传感器静止部分,又称定子和位置传感器转动部分又称转子。传感器转子部分与电机电磁
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