MH481線性霍爾傳感器的伺服電機系統設計

前言

由于安裝在永磁同步電機定子上的線性霍爾傳感器的輸出模擬信號與轉子氣隙磁場強度成比例，與反電動勢同相位，通過使用線性霍爾傳感器代替光電編碼器和開關爾傳感器可得到轉子的位置和速度信息;在此基礎上，給出一種不需要在靜止坐標系和轉坐標系之間相互變換，可以在靜止坐標系中直接產生相電流命令的場定向控制算法。

一、設計思路

在現有基于開關霍爾傳感器和增量式光電編碼器的永磁同步電機交流伺服系統中，開關霍爾傳感器主要用來確定電機起動時轉子的位置(精度為60°電角度)以便制器可以將電流輸入適當定子繞組，實現電機起動，同時，在電機運行過程中用于提供電流換向信號。光電編碼器要用于電機運行時轉子位置檢測，并實現轉子速度計算。由于轉子位置信息是磁場定向控制方法中進行坐標變換、度控制、位置控制等運算時必需的輸入信息，其采樣精度對制效果具有重要影響。

為了降低系統成本且保證控制性能，本文提出的新型交流伺服系統使用價格低廉的線性霍爾傳感器代替增量式光電編碼器和開關霍爾傳感器利用霍爾傳感器能夠敏感磁場強度變化的特點通過對線性霍爾傳感器輸出信號進行檢測，實現電機起動、電流換向、轉子位置和信息反饋。

1.算法描述

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

uh1=Ksinθ

uh1=Ksin（θ-120°）

uh1=Ksin（θ+120°）

（式1）

式中，K =KhIhBm，為氣隙磁場基波霍爾電勢幅值;Kh為霍爾傳感器的霍爾電勢系數，單位為 V/(A*T);Ih為霍爾傳感器的勵磁電流，單位為 A；Bm為被敏感氣隙磁場的磁感應強度峰值，單位為T;θ=ωt,為轉子角速度，單位為rad/s。

由（式1）可知，轉子位置的任何變化都會使線性霍爾傳感器輸出信號改變，因此，可以從線性霍爾傳感器輸出信號中獲得轉子位置、轉速等信息。具體實現思路如圖所示

由圖可知，首先， 360°電氣角根據正負取值分為編號為1~6的6個區間每個區間為60°同時，建立一個0°~60的反正弦表格，表格精度為：

r= int(2An-1×sin60°)（式2）

其中， int()表示對括號中的數值進行取整運算:An表示所使用模擬數字轉換器的精度。

將線性霍爾傳感器輸出信號 Ha、Hb、Hc行模數轉換，判斷轉換結果與轉換基準值之間的大小關系，如果轉換結果大于基準值，則轉換結果取正號，否則取負號;根據轉換結果的正負，對照圖1，即可確定電機轉子當前處于1~6哪個區間中;在電機起動時，該信息可用于確定轉子初始位置，在電機運行中，該信息可用作電流換向信號，從而實現交流伺服系統中開關霍爾傳感器能。

電機起動后，利用上述方法判斷轉子當前所處區間，在區間 1~6中，分別使用Ha、-Hc、Hb、-Ha、Hc、-Hb的模糊轉換結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子位置，從而實現交流伺服系統中增量式光電編碼器的功能。

θ=θx+(n-1)×60°（式3）

式中，θ為轉子位置；θx為查表結果；n為轉子當前所處的區間

得到轉子位置信息以后，計算轉子角度增量對速度采樣時間的微分，利用（式4）即可得到轉子速度：

ω（k）

（式4）

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

需要注意的是，當轉子角度從0°變化到360°，或從360°變化到0°的時候，直接利用（式4）計算轉速會導致速度計算誤差。此時，可假設轉子速度在一個速度采樣周期內的變化忽略不計，當檢測到轉子角度增量太大時，用前一個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。

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

二、產品應用

總結

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