1、相似性檢測報告相似性檢測報告(全文版)報告編號：2c2f9d00-0919-40a0-89e4-a41000c32016原文字數：63,572檢測日期：2014年12月29日檢測范圍：中國學術期刊數據庫（CSPD）、中國全文數據庫（CDDB）、中國學術會議數據庫（D）、中國學術網頁數據庫（CSWD）總相似比：1.03%（參考文獻相似比：0.00%，排除參考文獻相似比：1.03%）原文相似片段學校代碼 10699 分 類 號 TM3 密 級學 號 2012201421題目 無刷直流電機霍爾位置傳感器應用研究作者 王曉斌學科、專業(yè) 電機與電器指 導 教 師 解恩申請學位日期 2015年3月西 北

2、工 業(yè) 大 學（學位）題目： 無刷直流電機霍爾位置傳感器應用研究作 者： 王曉斌學科專業(yè)： 電機與電器指導： 解恩2015 年 3月Northwestern PolytechnicalM.S. ThesisUniversityTitle： Research on Application Control Hall Sensorsin Brushless DC motorofAuthor : Wang XiaobinSpecialty: Electrical Machines andApparatusTutor : Xie EnMarch, 2015摘要無刷直流電機(BLDCM)由于具有良好的工作

3、和調節(jié)特性在越來越多的領域得到廣泛應用，采用電子換相電路取代直流電機中的機械電刷和換相器，屬于新型電機。無刷直流電機多采用轉子位置傳感器對轉子磁極，對電機運行起著關鍵作用。轉子位置傳感器通常采用霍爾元件，受高溫、振動和噪聲影響，可靠性相對較低。電機運行時霍爾傳感器發(fā)生損壞會使電機換相失敗、電流增加，影響電機性能甚至造成安全事故。為保證電機在轉子位置傳感器信號缺損情況下可靠運行，主要研究無刷直流電機霍爾傳感器及其故障檢測和信號修復系統(tǒng)。首先介紹無刷直流電機的產生、現狀和發(fā)展趨勢， 介紹位置傳感器的分類和特點，分析課題的研究背景并介紹課題研究內容；然后從基本原理出發(fā)，介紹無刷直流電機組成結構、工作

4、原理和換相原理、基本方程以及傳遞函數模型，分析電機的正反轉原理和實現方法；接著分析霍爾傳感器數目選擇、安裝和空間配置方案并分析電機在方波和正弦波反電勢的換相時刻。霍爾傳感器故障檢測和信號修復是的問題，先分析各種類型故障下電機的換相和運行狀態(tài)，然后介紹霍爾傳感器故障法。電機起動前采用三三導通給轉子和修復方，一個換相周期位置信號并分析，有無故障；電機起動后采用位置預估法進行故障，以一個霍爾傳感器為基準，信號突變時間間隔為預估時間，檢測另外兩個霍爾傳感器輸出信號并在預估時刻將采集的狀態(tài)和換相邏輯表的狀態(tài)對比，實現故障判斷。若有故障，則將故障的傳感器，在預估換相時刻發(fā)出重建的位置信號，實現換相。設計基

5、于TMS320F28035MCU的無刷直流電機器，通過CCS3.3軟件開發(fā)平臺，進行程序的編寫和調試。系統(tǒng)有軟啟動，PI速度閉環(huán)，過流過溫截止保護和霍爾傳感器故障檢測和信號重建功能。在空載下對系統(tǒng)進行故障模擬實驗驗證，表明霍爾傳感器故障檢測和信號重建程序可行。：無刷直流電機，霍爾傳感器，檢測，信號重建，故障ABSTRACTBrushless DC motors are widely used in more fields for their good work and conditional properties. As a new type integrated motor, mechani

6、cal brush and commutator in DC motor are replaced by electronically commutated circuit. Rotorposition sensers are used in brushless DCmotor a keyRotorto detect rotor pole position, plays role on the rotation of the motor.position sensor usually use hallelement, the reliability is low in high tempera

7、ture, vibration and noise. The damage of hall sensor when the motor is running will make commutation failure and current increases, impact motor performance and even cause accidents. To ensure the motor operation reliably in case of rotor position sensor signals defects, mainly research fauetection

8、and signal reconstruction of the hall sensor of brushless DC motor.Firstly, introduced the present situation and development trend of the research of brushless DC motor, introduced the classification and characteristics of different kinds of position sensors, analysed the background of the subject a

9、nd introduced the research content. Next, based on the basic principle of brushless DC motor, introduced the structure,working and commutation principle, basicequation analysispositiveand andandtransfer function m realization method ofinversion principle of, thebrushless DCselection ofmotor. Then, a

10、nalysised thethe number of hall sensor,configuration, installation and spacedistribution, analysised the commutation moment of motor in the back EMF of squarewave Fauhalland sinusoidal wave.etection and signal restoration of sensor is the core issue of thepaper. First analysed the commutation andope

11、rating state of various types of motorfailure condition of hallintroduced the method fau hall sensor and the faulesenser, then iagnosis ofsignalreconstruction. Before starting the motor,locate the rotor to six expected position of a commutation cycle with three phasebreakover mathod to collect the p

12、ositionsignal and analyse tofault.After the motor fault with the methoddetermine thestarted, diagnosed of positionprediction. Set one of three hall sensersas thesignal detectreference signal, mutations in the interval as the estimated time tothe signal of other two hallsensors. And compare the signa

13、ls of the other two hall sensors in estimatedmoments with commutation logic signaltable to achieve faudetermined a fault, aiagnosis. Ifnew position signalreconstructed replaced the faulty sensors signal at the estimated time of commutation.Design a brushless DC motor controller based on TMS320F28035

14、MCU, motors and the main power circuit designed before as the experimental object.Writing and debugging program through the CCS3.3 software development platform. Soft start, PI speed closed-loop, overcurrent protection and over-temperature cut-off, hall sensorfauetection and signal reconstructionare

15、 contained detection and programthe offeasible within the control system. Fault signal reconstructionthe hall sensor is provedno-load control systemfaultsimulation experiments.key words: brushless DC motor, hallsensor, location, fauetection, signal reconstruction目錄 摘要 IABSTRACT II目錄 IV第一章 緒論 11.1 無刷

16、直流電機發(fā)展概況 11.1.11.1.21.1.3無刷直流電機的產生 1國內外研究現狀 2無刷直流電機的發(fā)展趨勢 41.2 轉子位置傳感器介紹 41.2.11.2.21.2.3電磁式位置傳感器光電式位置傳感器磁敏式位置傳感器5561.3 本課題的研究背景和內容 81.3.1 研究背景 81.3.2 研究內容 91.3各章節(jié)安排 9第二章 無刷直流電機模型與驅動 112.1 無刷直流電機組成結構 112.1.12.1.22.1.3電機本體 11轉子位置檢測電路 12換相驅動電路 122.2 無刷直流電機原理 142.2.1 工作原理 142.2.2 換相原理 162.3 無刷直流電機基本方程 1

17、82.3.1 梯形波氣隙磁密基本方程 192.3.2 正弦波氣隙磁密基本方程 222.4 傳遞函數模型 252.5 無刷直流電機正反轉驅動及實現方法 272.5.1 正反轉的工作原理2.6.2 正反轉的實現方法第三章 轉子位置傳感器2728分析 323.1 霍爾位置傳感器的數目和安裝方式 323.1.1 霍爾傳感器數目的確定 323.1.2 霍爾位置傳感器的安裝方式 333.2 繞組換相時刻的確定 343.3.1 方波反電勢下繞組換相時刻的確定 353.3.2 正弦波反電勢下繞組換相時刻的確定3.3 霍爾傳感器的安裝位置 373.4 霍爾位置傳感器空間位置的確定 383.4.1 60°

18、;電角度分布 393.4.2 120°電角度分布 40第四章 霍爾傳感器故障檢測與信號重建 424.1 霍爾傳感器故障狀態(tài)分析 42364.1.14.1.24.1.3一個霍爾故障時電機運行狀態(tài)兩個霍爾故障時電機運行狀態(tài)三個霍爾故障時電機運行狀態(tài)4346494.2 霍爾傳感器故障的檢測和4.2.1 電機起動時故障檢測和4.2.2 電機運行中故障檢測和4.3 霍爾傳感器故障信號重建 574.3.1 故障狀態(tài)電機的起動 574.3.2 運行中故障信號重建 58 第五章 依托項目平臺設計 595051555.1 系統(tǒng)方案 595.2 硬件實驗平臺設計 605.2.15.2.25.2.25.2

19、.35.2.45.2.5電源電路 61主功率電路 61主控電路 62霍爾信號調理電路 64ADC采樣和調理電路 65PWM輸出信號電平轉換電路 665.3 軟件設計 675.3.1 軟件開發(fā)平臺介紹 675.3.2 初始化程序設計 685.3.3 主程序設計 705.3.4 中斷程序設計 715.4 霍爾傳感器故障檢測和信號重建程序設計 725.4.1 起動前霍爾傳感器故障檢測 725.4.2 運行中霍爾傳感器故障檢測和信號重建 75 第六章 實驗與分析 78第七章 總結與展望 827.1 工作總結 827.1.1 主要研究工作 827.1.2創(chuàng)新點 827.2 工作展望 83 參考文獻 84

20、攻讀學位期間取得的成果 87致謝 88第一章 緒論無刷直流電機是隨著電力電子技術發(fā)展而產生的新型電機，它是現代電力電子技術（包括電力電子、微電子技術）、理論和電機設計與機械制造技術結合的產物1。無刷直流電機根據定子繞 組驅動電流波形的不同可分為兩種類型：一種是方波驅動的電機，它屬于無刷直流電BLDCM（Brushless DC Motor）；另一種是正弦波驅動的電機，國際上多稱為永磁同步電PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor） 2。1.1 無刷直流電機發(fā)展概況1.1.1 無刷直流電機的產生電機作為電氣產生的機電能量轉換裝置，經過不斷的技術革新已經發(fā)展成

21、熟，在現代化生產和生活中發(fā)揮著十分重要的作用。無論是工農業(yè)生產、交通、事、航空航天與醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)，還是日常工作和生活中的辦公設備和家用電器，都大量地使用著各種電機。電機主要分電這里主要以電和發(fā)電機兩類，二者作用不同，為討論對象，下文所述電機均為主要有直流電機、異步電機電，常用的電與同步電機三種。直流電機出現最早，通過調節(jié)電樞電壓和勵磁電流就可以調節(jié)其轉速和輸出轉矩，具有良好的機械和特性，在上世紀八十年代前一直占據著傳動領域的主導地位。直流電機采用機械方式換相，由此帶來了轉動噪聲、換向火花、無線電干擾以及短等問題，復雜的結構使得制造成本高以及維修，其應用范圍有很大的局限性3；隨著交流電的應用普

22、及，異步電機由于結構簡 單、制造方便、運行可靠、價格便宜，具有很高的性價比，但機械特性較軟、起動轉矩低，不能實現平滑調速等因素也使得其只能用于拖動場合，近年來快速發(fā)展的矢量和變頻調速技術使得異步電機調速性能大大提高；同步電機有轉矩大、效率和精度高、機械特性優(yōu)等特點，但起動轉矩小、容易“失步”等不利因素也限制了其主要作為發(fā)電機使用。基于直流電機的機械特性和交流電機結構簡單的優(yōu)勢，科研一直在尋找一種集合二者優(yōu)勢的電機，非機械換相即不用電刷和換相器的直流電機成 為科研工作者的關注焦點。20世紀30年代已經有科 研工作者開始探索使用電子器件進行換相的直流電 機，由于當時的電力電子器件無法達到要求的性能

23、 且價格很高，這種電機并沒有得到大規(guī)模應用，只 停留在研究階段。1955年美國學者Harrison和Ray 申請了用晶體管換相電路代替機械電刷的專利，無 刷直流電機由此誕生4。經過科研工作者長期的研究和實踐，1962年G.Bauerlein等人提出采用霍爾元件作為轉子位置傳 感器實現繞組電子換相的方法，標志著無刷直流電機進入成熟發(fā)展階段。1978年，德國Mannesmann公司在漢諾威貿易博覽會上推出了MAC 方波無刷直流電機及其驅動器，使得利用電子換相的無刷直流電機進入實用階段。1986年H.R.Bolton對方波無刷直流電機進行了系統(tǒng)的研究，總結了方波無刷直流電機的特性，并分析其方法，成為

24、方波無刷直流電系統(tǒng)研究的經典文獻，它標志著方波無刷直流電機理論和驅動技術已經成熟5。自此，無刷直流電機作為一種新型機電一 體化電機正式進入快速發(fā)展的階段。1.1.2 國內外研究現狀無刷直流電機作為特殊的直流電機具有傳統(tǒng)直流電機起動轉矩大、過載能力強、調節(jié)方便等良好的機械特性和調節(jié)特性的優(yōu)點，同時在結構上又具有結構簡單、便于大批量生產和運行可靠、性價比高等交流電機的一系列優(yōu)點。無刷直流電機在精密加工、工業(yè)自動化、數控機床以及、艦艇和各種隨動系統(tǒng)等高精尖領域首先得到了應用， 經過不斷發(fā)展也在家用電器、電動汽車、辦公自動化等領域有著廣泛的應用6。隨著無刷直流電機的應用范圍日益廣泛，人們對其性能要求也

25、不斷提高。因此，研制高性能的無刷直流電機前無刷直流電機面：(1)、數字系統(tǒng)成為一項普遍關注的課題。目的研究熱點主要在以下三個方器的研究器的作為無刷直流電機系統(tǒng)將各個功能模塊集成到一個無刷直流電機電機的，集成電路內，大大提高了其使用的靈活性，縮短研發(fā)周期、減小研發(fā)成本。現在廣泛應用的DSP強大的處理 能力使得復雜的算法得以實現，同時其豐富的外設接口也使得系統(tǒng)開發(fā)難度大大降低，這也大大提高了無刷直流電機的精度和穩(wěn)定性7。(2)、轉矩脈動抑制的研究無刷直流電機受齒槽效應、渦流效應等因素影響，運行時具有較大的轉矩脈動，轉矩脈動主要有以下三個：電子開關的換相、繞齒槽效應和高次諧波與電流諧波之間產生的相互

26、作用。轉矩脈動嚴重限制無刷直流電機在高精度、高穩(wěn)定系統(tǒng)中的使用，過大的轉矩脈動會導致無刷直流電機的性能與可靠性變差8-9。齒槽效應轉矩脈動主要通過電機本體內部結構的優(yōu)化來抑制，主要是通過對無刷直流電機中的各個機械部件的材料、工藝與安裝精度進行與提高10。對于諧波轉矩脈動，目前常采用轉子永磁體徑向勵磁的方法使氣隙磁密更接近方波；另一種解決方法是采用合適的方法，尋找最佳的電流波形，通過對無刷直流電機相電流實時檢測并調制，使它的電磁轉矩輸出值保持不變來消除轉矩脈動11-12。(3)、無位置傳感器換相技術隨著無刷直流電機向中小微型方向的發(fā)展，位置傳感器在電機體積中的比例越來越大，這就使得電機系統(tǒng)不能實

27、現小型化而限制了在一些特定場合的應用13。著無位置傳感器的換相方法，一些學者提出新的轉子位置方法14-19。1980年，H.Lehuy等人提出反電動勢法(BEMF)，即利用轉子旋轉時定子 繞組中感應的反電勢進行轉子位置檢測，后來還有學者提出各種改進方法，目前使用最普遍15。1990年，S.Ogasawara提出通過檢測功率開關管上的反向并聯二極管的導通狀態(tài)來得出轉子位置信息的方法，被稱為續(xù)流二極管法。1994年，有學者提出了基于定子磁鏈估計轉子位置的方法，即通過相電壓和線電流信號計算出各相繞組的磁鏈，再通過分析磁鏈信號得到轉子位置。卡爾曼濾波器法估計轉子位置和轉子速度的方法最早是由M.Schr

28、oedl于1988年提出的，其原理是從無刷直流電機的基本方 程經過離散變換得到以輸入轉矩和系統(tǒng)噪聲為參數的轉速與位置角度的狀態(tài)方程，經過卡爾曼遞推公式得到關于轉速和角度的轉子位置16。方程，從而綜合以上幾種轉子位置檢測方法，反電勢法及其改進方法雖然其在理論上做了一定程度上的近似而且在低速時性能有待提高，但是由于檢測方便，對控制器要求較低，簡單可靠，而且工程上對其誤差的修正也比較容易，從而使該種方法成為無位置傳感器的無刷直流電機轉子位置檢測的主流方法17-19。采用無位置傳感器的無刷直流電機由于在起步瞬間沒有位置信息，很難直接起動。目前無位置傳感器的無刷直流電機啟動方式有三段式啟動、升頻升壓同步

29、啟動和短時檢測脈沖轉子啟動等方法。其中最成是三段式啟動方法，該方法從電機起動到穩(wěn)定運行可分為轉子預、外同步和自同步切換三個階段19-21。我國對無刷直流電機的研究起步較晚，但經過科研不斷努力，國內己有無刷直流電機的系列產品，形成了一定生產規(guī)模，并在航空航天等領域得到了廣泛應用。相關部門先后制定了無刷直流電動機驅動器通用規(guī)范（GJB5248-2004）、無槽無刷永磁直流電通用技術條件（JB10690-2007-T）、永磁無刷直流電機通用規(guī)范（GB21418-2008-T）等 標準，規(guī)定了無刷直流電機的分類、通用技術要求、試驗方法、質量檢驗規(guī)定以及標志、包裝、運輸和貯存的要求。在科研的努力下，我國

30、在無刷直流電機領域正在不斷縮小同發(fā)達1.1.3 無刷直流電機的發(fā)展趨勢的差距。20世紀90年代以來，隨著永磁材料研究的新、機械工藝水平的提升，自動理論、微電子技術的發(fā)展以及電力電子開關器件性能的提升，無刷直流電機技術的發(fā)展取得了顯著成績。特別是隨著研發(fā)和制造工藝的進步，數字信號處理器（DSP）、現場可編程門陣列（FPGA）、復雜可編程器件（CPLD）等微處理器的性能得到進一步提升，進一步推動無刷電機技術的快速發(fā)展。無刷直流電機的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面22：（1）、新型稀土永磁材料的高磁密特性使得電機尺寸減小，高度集成化的器與電機本體融為一體，使無刷直流電機集成化方向發(fā)展。系統(tǒng)朝低成本、

31、小型化、（2）、高速微處理器及可編程邏輯器件的出現，為無刷直流電機器性能的提高提供了可靠的保證，采用單片機或DSP等為基礎的軟件程序替代傳統(tǒng)的信號處理電路、換相電路和模擬PID電路實現無刷直流電機的轉子位置檢測、換相和調速。（3）、低噪聲和高效率一直是電機系統(tǒng)追求的兩大目標，采用新的電路拓撲、新型功率開關管和軟開關降低開關損耗及其對電源的諧波污染，增加開關，并在保證系統(tǒng)效率不變的前提下，提高驅動電路的開關頻率可實現電機系統(tǒng)的綠色PWM，如PWM-ON-PWM23。（4）、隨著新型導電、導磁和絕緣材料的出現，從本體上對電機進行優(yōu)化設計以提高無刷直流電機的性能，將是今后發(fā)展的一個重要方向。無槽式與

32、無鐵心式電機、軸向磁場盤式電機等特殊結構電機成為新的研究方向24-26。（5）、無刷直流在直流電機系統(tǒng)中，如何在較寬調速范圍內提高電流調節(jié)特性以及減小力矩波動一直是伺服系統(tǒng)研究的焦點，以智能為主的先進策略是近年來研究的方向，如模糊、神經網絡，系統(tǒng)，自適應等27-29。1.2 轉子位置傳感器介紹19世紀40年代，世界第一臺無刷直流電機誕生，它 取代了原有的機械電刷換相方式，采用晶體管換相技術實現電子換相，這是無刷直流電機展的開端。隨著電子技術的發(fā)展，研究技術發(fā)發(fā)明了各種位置傳感器，無刷直流電機器開始采用位置傳感器檢測轉子磁極位置，并得到廣泛應用。無刷直流電機中轉子位置傳感器主要對轉子磁極進行，為

33、電子換相電路提供正確的位置信號。轉子位置傳感器是無刷直流電機一個重要組成部分， 其發(fā)展伴隨著無刷直流電機的整個發(fā)展過程。轉子位置傳感器按照發(fā)展先后順序主要有電磁式、光電式和磁敏式3種6,20,38，下面分別進行介紹：1.2.1 電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應來實現轉子位置測量的，有開口變壓器、鐵磁諧振電路、接近開關等多種類型。早期的無刷直流電機中用的較多是開口變壓器，其結構如圖1-1所示。圖1 - 1 開口變壓器位置傳感器原理圖開口變壓器主要由跟蹤轉子和定子兩部分組成，轉子是一個用非導磁材料(如鋁合金)制成的圓盤，其上面鑲嵌有相隔120°電角度的扇形導磁片。導磁片 的

34、個數與無刷直流電機轉子磁極的極對數相等，跟蹤轉子與電機轉子同軸，隨電機同步轉動，其位置和轉子磁極一一對應。開口變壓器的工作原理與一般的旋轉變壓器類似： 當轉子處在如圖1-1所示的位置時，勵磁磁極產生的 高頻磁通通過轉子上的導磁材料耦合到感應極上的繞組上，產生感應電勢。而在另外兩個繞組、上， 由于非導磁材料的阻隔而不能形成磁路，感應電動勢為0。設定電機逆時針轉動，則導磁扇片也跟著逆 時針轉動，并逐漸靠近繞組遠離繞組，繞組產生感應電勢并逐漸增大，繞組上的感應電勢逐漸減小為0如此循環(huán)，電磁式位置傳感器就得到3個相位和幅值不斷變化的輸出電壓、，它們的寬度和間隔角度都是120°電角度。雖然電磁

35、式位置傳感器具有結構簡單、工作可靠、輸出信號強度大、對工作環(huán)境適應性強等優(yōu)點，但它的體積大且輸出是模擬信號、信噪比較低、分辨率較差，在早期的時候應用較多，現在己逐漸被替代。1.2.2 光電式位置傳感器光電式位置傳感器主要由光電耦合開關和跟隨轉子一起旋轉的遮光板組成，其結構如圖1-2所示，其主 要利用光電效應原理，光電耦合開關接收端收到光信號則有信號輸出，沒有接收到光信號則無信號輸出。光電耦合開關包括發(fā)光元件和光敏元件兩部分，分別固定在電機定子端部，二者正對放置；遮光板與轉子同軸，位于發(fā)光元件和光敏元件中間， 遮光板上有扇形開口，扇形開口的數目和角度與無刷直流電機轉子磁極相同。圖1 - 2 光電

36、位置傳感器結構圖光電耦合開關的發(fā)光元件和光敏元件一般由砷化嫁發(fā)光二極管和光敏三極管組成，以其電路圖如圖1-3 所示。遮光板處于發(fā)光二極管VD1和光敏三極管VT1 中間，隨轉子一起旋轉。當遮光板上的扇形開口對著光敏三極管，則該光敏三極管因接收到對面的發(fā)光二極管發(fā)出的光而導通輸出信號。隨著轉子的轉動，遮光板使光敏接收三極管輪流接收光信號使得其輪流導通，從而產生不同的輸出信號組合，根據輸出信號就可以轉子磁極所處的位置。輸出信號經開關管VT2放大后轉化為邏輯信號后輸入到邏輯處理，通過邏輯換相處理產生開關信號驅動逆變器開關管通斷，從而驅動電機轉動。電機定子繞組通電相，圖1 - 3 光電式位置傳感器電路原

37、理圖光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定、精度較高，但對使用環(huán)境要求較高，且易受到振動、灰塵和環(huán)境溫度及濕度的影響，可靠性較低，目前用的也不多。1.2.3 磁敏式位置傳感器磁敏式位置傳感器利用電流的磁效應工作，主要由與轉子磁極同軸同極對數的檢測轉子和空間均勻分布的磁敏元件。目前最常用的磁敏元件為霍爾元件，霍爾元件就是利用霍爾效應產生電壓輸出的元件，利用霍爾效應在磁場作用下產生電動勢，經過整形、放大后得到位置電平信號。霍爾效應是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，1855- 1938）于1879年在研究金屬的導電機制時發(fā)現的， 它定義了磁場和感應電壓之間的關系：當電流通過一個位于磁場中的導體時，磁場會對

38、導體中的帶電粒子產生一個橫向的作用力，從而在導體的兩端產生電勢差。霍爾位置傳感器就是利用霍爾效應制成的霍爾集成電路，其工作原理為轉子旋轉時，霍爾元件接收到的永磁轉子產生的磁場大小和角度隨時間變化，霍爾元件根據磁場強度大小和角度感應出不同的電動勢。霍爾位置傳感器就是通過感應轉子上的磁場強弱變化輸出相應的信號來轉子所處的位置。霍爾集成電路按輸出信號與磁極的關系可分為開關型和線性型兩種，無刷直流電機中一般使用開關型霍爾集成電路，特別是具有信號鎖存功能的開關集成電路。鎖存型開關集成電路由霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和功率輸出電路組成，其電路結構如圖1-4所示。圖1 - 4 鎖存型霍爾開關集成電路

39、原理圖圖1-5是鎖存型霍爾開關集成電路的典型輸出特性，其磁滯回線相對于零磁場軸是對稱的，霍爾元件輸出電壓極性隨磁場方向的變化而變化。圖1 - 5 鎖存型霍爾開關集成電路的輸出特性開關型霍爾元件輸出電平的極性和霍爾標志面與磁場的極性有關，相關行業(yè)組織對集成電路極性有統(tǒng)一的規(guī)定：設定霍爾集成器件其中一面為標志面， 當永磁體S極面向霍爾集成器件標志面時，磁通密度 B定義為正；當磁體N極面向霍爾集成器件標志面 時，磁通密度B定義為負。由于有斯密特觸發(fā)器的鎖 存作用，其輸出特性為：當加磁場強度B為正并高于時，輸出為低電平，傳感器處于開的狀態(tài)，即為邏輯0；當外加磁場強度B為負并低于時，輸出電平由低變高，傳

40、感器處于關的狀態(tài)，即為邏輯1。由于開關型霍爾元件觸發(fā)器的導通和截止電壓閾值的設計是關于零點對稱的，由于磁滯作用和鎖存器配合觸發(fā)器的輸出狀態(tài)在一定磁場內能維持一定的穩(wěn)定值。只有當外界磁場改變極性并增加到一定閾值時，觸發(fā)器的開關狀態(tài)才會發(fā)生變化，霍爾元件輸出信號電平就完成一次變換。這種霍爾集成電路在轉子磁場交替變化下，輸出波形占空比接近0.5， 符合無刷電機對位置傳感器的要求，采用鎖存型開關集成電路有利于提高開關動作的可靠性。無刷直流電機的研究發(fā)展都依賴于可見的以及不可見的轉子位置傳感器信號，目前在電機位置傳感器應用比較成熟，越來越多的科研領域，將注意力放到無位置傳感器的方法上，對于無刷直流電機轉

41、子位置傳感器應用研究的文獻相對較少。特別是對于轉子位置傳感器的安裝、故障分析及修復的文獻和成果，遠遠不如無位置傳感器方法的多。在航空航天等對電機穩(wěn)定性和精確度要求較高的領域，由于換相的優(yōu)勢帶位置傳感器的無刷直流電機仍是首選，對位置傳感器的研究仍具有現實意義。1.3 本課題的研究背景和內容1.3.1 研究背景19世紀40年代，世界上第一臺采用晶體管換相線路 取代原有的機械電刷和換向器實現電子換相的無刷直流電機誕生，開啟了無刷直流電機技術發(fā)展通道。19世紀60年代，隨著半導體材料和電子技術的發(fā)展，研究發(fā)明了各種傳感器檢測轉子磁極位置。轉子位置傳感器的使用使得無刷直流電機的大大簡化，電機系統(tǒng)的可靠性

42、和穩(wěn)定性得到極大的提高29。轉子位置傳感器的響，同時位置信號邏輯對電機繞組換相有直接影又確立了傳感器和三相繞組之間的對應關系，因而無刷直流電機轉子位置傳感器準確是電機高效運行的先決條件。隨著實際應用中對無刷直流電機的調速性能和機械性能要求不斷提高，無刷直流電機精度要求越來越苛刻，電機系統(tǒng)復雜度大大增加，各模塊發(fā)生故障的概率更大，因此對故障的檢測要求日益緊迫。無刷直流電機常見的故障能夠盡早發(fā)現并采取修復措施，對于故障的準確時維修是十分必要的30。、緊急修復和及無刷直流電機大多采用分離式安裝的霍爾位置傳感器，獲取位置信號電路結構簡單、精度較高，但在實際應用中，霍爾位置傳感器由于振動、噪聲、電磁干擾

43、等因素往往使用12年就會發(fā)生損壞，在某些 惡劣工作環(huán)境（如高溫潮濕環(huán)境）中持續(xù)工作還會明顯縮短31。早期的無刷直流電機系統(tǒng)對位置傳感器方面的故障檢測大多只有傳感器故障并停機，如果位置傳感器在電機運行時突然損壞，會因換相失敗影響電機的正常工作，電路電流增大很容易引起嚴重的安全事故。近幾年也有研究障問題進行研究，提出了雙模對霍爾傳感器故的思路31-33，即檢測到霍爾傳感器故障后采用無位置傳感器換相方法維持電機換相，但該方法并未有效利用未損壞的位置傳感器，采用兩套換相方法使系統(tǒng)更復雜，實用性不高。因此，有必要對無刷直流電機位置傳感器進行進一步研究并找到解決此問題的辦法。1.3.2 研究內容本課題以無

44、刷直流電機位置傳感器為主要研究對象，通過閱讀相關書籍、查閱文獻資料了解無刷直流電機的發(fā)展歷程、研究現狀和研究熱點等，進一步學習掌握無刷直流電機的結構和工作原理；結合無刷直流電機的特點，以轉子位置傳感器為切入點，研究位置傳感器的分類、工作原理以及各自優(yōu)缺點；霍爾位置傳感器的安裝要求和空間配置方案和電機正反轉的邏輯關系以及實現方法等。根據位置傳感器易損壞的不利因素，研究無刷直流電機霍爾傳感器的故障檢測和位置信號重建系統(tǒng)， 主要研究內容如下：（1） 、研究霍爾傳感器的常見故障類型，電機起動前和運行時霍爾傳感器發(fā)生損壞情況下電機的運行狀態(tài)分析；（2） 、研究電機起動前和運行中霍爾傳感器的故障檢測與方法

45、和發(fā)生故障后霍爾傳感器的信號修復方案；（3） 、建立基于TMS320F28035MCU的系統(tǒng)實驗平臺，設計硬件電路和軟件編程并調試，做出樣品；器（4）、通過故障模擬實驗，獲取電機在正常運行和發(fā)生故障時的運行狀態(tài)和相關參數，分析故障檢測和信號修復效果。1.3本各章節(jié)安排主要探討無刷直流電機霍爾位置傳感器及其故障檢測和信號重建問題，各章節(jié)安排如下：第一章緒論，主要介紹無刷直流電機的產生、國內外研究現狀和發(fā)展趨勢，轉子位置傳感器分類介紹以及課題的研究背景與研究內容。第二章無刷直流電機的模型和驅動，首先介紹無刷直流電機的組成，包括電機本體、轉子位置檢測電路和換相電路三個部分的具體介紹；然后介紹了無刷直

46、流電機工作原理和繞組換相原理；梯形波和正弦波氣隙磁密下電機的基本方程；無刷直流電機系統(tǒng)的傳遞模型等內容；最后分析了電機正反轉的原理及軟硬件實現方法。第三章轉子位置傳感器分析，首先介紹了霍爾傳感器的安裝數目、安裝方式和安裝位置選擇，然后介紹了及空間配置方案的選擇，最后分析基于霍爾傳感器的換相時刻和霍爾傳感器的空間分布。第四章霍爾傳感器故障識別與信號重建，首先介紹霍爾傳感器常見的故障種類并分析發(fā)生故障時電機運行狀態(tài)，然后分析電機在起動前和運行中霍爾傳感器故障的檢測和的信號重建方法。方法，最后分析故障后第五章依托項目平臺設計，首先介紹依托于導師課題的項目平臺硬件設計，包括電源電路、主功率電路、主控電

47、路和采樣調理電路等，然后介紹基于TMS320F28035MCU的無刷直流電機系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺CCS3.3、各模塊初始化設置和各程序結構 流程圖，最后重點介紹了霍爾傳感器故障檢測和信 號重建程序設計。第六章實驗和分析，通過分別運行正常 程序和有霍爾傳感器故障檢測和信號修復的程序，對比電機在正常狀態(tài)和霍爾傳感器一個損壞、兩個損壞的條件下電機運行狀況和相關波形分析，得出故障檢測和信號重建程序可行的結論。第二章 無刷直流電機模型與驅動2.1 無刷直流電機組成結構無刷直流電機（BLDCM）由電機本體、轉子位置檢測電路和換相驅動電路三部分組成，是典型的機電，其典型結構功能圖如圖2-1所示。圖中為三相兩極

48、式電機，三相全橋式逆變電路，定子繞組為Y型接法，分別與電子開關線路中相應的功率開關器件連接。圖2 - 1 無刷直流電機結構功能圖2.1.1 電機本體無刷直流電機本體結構主要包含嵌有電樞繞組的定子和嵌有永磁體的轉子兩部分。無刷直流電機本體截面圖如圖2-2所示，這里選用三相兩極式無刷直流 電機，定子6槽，每極每相1個槽。無刷直流電機與傳統(tǒng)直流電機結構不同，為了去掉電刷和換相器， 電樞繞組在定子側，勵磁部分在轉子上，這樣既充分利用永磁體高磁密的特性，又有利于電樞繞組的散熱。圖2 - 2 無刷直流電機本體截面示意圖電機定子繞組結構和普通的感應電機類似，一般為多相繞組，最常見的是三相繞組，Y型或型接法。

49、考慮到系統(tǒng)的性能和成本以及換相方面的要求，目前多采用電樞繞組Y型接法，三相對稱且無中性點引出的無刷直流電機22。轉子是由永磁材料（鐵氧體、稀土永磁材料等）制成的具有一定的磁極對數的永磁體，以兩對極轉子為例，其轉子結構分為三種（如圖2-3所示）：一種 是將瓦片狀的永磁體貼在轉子外表上，稱為表貼式；另一種是將永磁體內嵌到轉子鐵心中，稱為嵌入式；還有一種是在鐵心外套上一個整體稀土永磁換，并且通過特殊的方式將環(huán)形磁體徑向充磁為多極。無刷直流電機一般多用表貼式結構，磁極下定轉子氣隙均勻，氣隙磁場呈梯形分布，從而產生梯形波感應電動勢。圖2 - 3 永磁轉子結構簡圖2.1.2 轉子位置檢測電路轉子位置檢測電

50、路在無刷直流電機系統(tǒng)中主要作用是檢測轉子磁極位置，為電子換相電路提供正確的轉子位置信號，包括有位置傳感器和無位置傳感器兩種轉子位置檢測方法。無位置傳感器的轉子位置檢測方法是一種間接檢測的方法，主要是通過檢測和計算與轉子位置有關的參數，如反電勢、非導通相電流和磁鏈等，得到轉子磁極位置。無位置檢測法是一種硬件和軟件相結合的方法，且對軟件算法要求較高，隨著邏輯的快速發(fā)展，其性能也得到很大的提升。常用的無位置檢測方法有反電勢檢測法、續(xù)流二極管檢測法、卡爾曼濾波器法、磁鏈檢測法、人工智能法等，緒論里已有介紹。有位置傳感器的轉子位置檢測方法主要通過轉子位置傳感器檢測轉子磁極位置，并輸出位置信號。常用的轉子

51、位置傳感器主要有磁敏式、電磁式、光電式、正余弦旋轉變壓器、接近開關式等。作為磁敏式位置傳感器的一種，霍爾位置傳感器體積小、便于安裝、精度高且價格低廉，在目前無刷直流電機各種類型的轉子位置傳感器中使用最普遍。2.1.3 換相驅動電路無刷直流電機中電子換相電路就相當于直流電機中換相器，電子換相電路包括逆變電路和邏輯換相驅動電路兩部分，其輸出和轉子位置檢測電路的輸出信號有一定的邏輯對應關系，并根據檢測的轉子位置信息，使電樞繞組按照一定的邏輯關系通斷電， 保證電機可靠運行。逆變電路中的功率開關器件一般采用功率MOSFET或等全控型器件，具有容量大、方便、開關頻率高、可靠性高等優(yōu)點。逆變電路拓撲主要有半

52、橋式、全橋式、C-dump式和H橋式四種34-35。圖2-4所示為半橋逆變電路拓撲，功率管VT1、VT2、VT3分別A、B、C三相繞組的通斷。繞組換相過程中，定子各相磁場在氣隙中所形成的旋轉磁場是跳躍式的，在360電角度內呈現三種磁狀態(tài)，屬于三相星型三狀態(tài)通電方式。圖2 - 4 半橋逆變電路拓撲圖2-5所示為全橋逆變電路拓撲，三個橋臂上下兩個開關管分別A、B、C三相繞組正負方向的通斷，屬于三相星型六狀態(tài)通電方式。圖2 - 5 全橋逆變電路拓撲圖2-6為C-dump式逆變電路拓撲，它是介于全橋和半橋之間的一種逆變方案，它減少了功率器件，但增加了電感和電容，換相轉矩脈動比全橋結構大。圖2 - 6

53、C-dump式逆變電路拓撲圖2-7為H橋式逆變電路拓撲，H 橋式的特點是每個繞組并采用一個H橋功率逆變橋，可以靈活地改變繞組電流的大小和方向，易于實現四象限控制，這種方式特別需要注意死區(qū)時間，必須確保大于功率器件的關斷時間36。圖2 - 7 H橋式逆變電路拓撲電子換相電路中的換相邏輯電路由位置傳感器信號處理模塊組成，主要通過對位置傳感器信號邏輯處理后電機逆變器開關管的通斷實現換相。位置傳感器所產生的信號只是反映轉子位置，需要經過換向邏輯處理后輸出開關管通斷信號邏輯開關單元，多用換相邏輯門陣列、集成（MC33035）和單片機、CPLD、DSP(MCU)等邏輯器件進行處理37。換相置，通過邏輯器件

54、處理后電路根據轉子所處位逆變電路開關管的通斷，從而定子線圈的通電順序和時間，在定轉子磁場的相互作用下產生持續(xù)不斷的轉矩，驅動電機旋轉。2.2 無刷直流電機原理2.2.1 工作原理無刷直流電機是在普通直流電機基礎上發(fā)展起來的，不同的是是由轉子位置感應電路和電子開關線路組成的電子換相電路代替了換向器和電刷組成的機械換相電路，其基本工作原理框圖如圖2-8所示。圖2 - 8 無刷直流電機基本工作原理框圖在有刷直流電機中，電樞繞組在轉子上，定子上的勵磁繞組在氣隙中形成激磁磁場。根據安培定則，電樞繞組某一導體內有電流，則在磁場下會產生一個作用于該導體的電磁力，其表達式為：（2-1）式中：B氣隙磁通密度，T

55、； I導體內的電流，A； L導體在磁場內的長度，m。電樞繞組一般由多個線圈組成，每個線圈又由若干線匝組成。若電樞繞組總的串聯導體數為N，則電磁力為（2-2）在直流電機內，由于電刷和換向器的作用，電樞繞組在同一磁場下的電流方向均不變，從而保證受力方向不變。由于繞組固定不動，受到電磁力對轉子中心軸產生一個反作用力矩M，迫使轉子線旋轉。電磁力矩量值為（2-3）中心軸式中：R導線所處位置相對于轉子中心軸線的半徑，m。無刷直流電機的工作原理和普通直流電機基本相同，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，電樞繞組中通過的電流總量恒定，以產生恒定的電磁轉矩，且電磁轉矩大小只與電樞電流的大小有關。普通直流電機定子上的勵磁繞組產生固定不變的磁場，電樞繞組在轉子上，通過電刷和電源電路連接。為了使轉子受到的相同方向的電