CN106856388B - 基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，涉及永磁无刷直流电机领域，所述方法包括以下步骤：步骤一：根据已知的电机极槽配合关系；步骤二：根据该所有定子槽中该相线圈的层数及该所有定子槽的电气角度利用反电动势计算公式得到该相线圈的反电动势电气角度；步骤三：在电机定子绕组绕制结构图中根据该机械角度数值绘制该相电机绕组反电动势机械角度位置；步骤四：在电机定子绕组绕制结构图中绘制出第一个霍尔、第二个霍尔和第三个霍尔的安装位置，并根据电机磁极对数确定电气周期数。本发明能够简单快捷实现永磁无刷直流电机中霍尔位置定位。

Description

基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法
技术领域
本发明涉及永磁无刷直流电机领域，尤其涉及一种基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法。
背景技术
目前关于永磁无刷直流电机霍尔换向的方法依靠电机定子绕组磁势星形图来计算定子某相绕组的定子磁势方向，根据该方向滞后120°电气角度来定位霍尔位置。电机定子绕组磁势星形图中确定出电机某一相中每个绕组位于定子槽内的磁势，并在图中建立每个绕组磁势的矢量和，最终得到该相基于电气角度的磁势方向，利用电机极槽数配合，将该相磁势方向转化为机械角度，根据定子星形磁势中该相与定子槽的相对关系，在定子绕组结构图中对比出相应的位置，最后在定子绕组结构图中，找到滞后120°电气角度的霍尔位置。
实际应用中，目前方法存在一些不足，首先，电机定子星形磁势图适合于电机极数小槽数小的定子绕组，尤其是整数槽电机，图中容易实现相中每个绕组的矢量和成绘制，但不适合极数多槽数多的电机，特别是分数槽电机，定子磁势矢量和成绘制非常困难，相定子磁势展示十分困难；其次，定子磁势星形图中不能根据定子磁势方向直接给出霍尔安装位置，需要在定子绕组绕制结构图中进行位置比对，展示不直接，计算过程复杂，容易出现混乱。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，能够简单快捷实现永磁无刷直流电机中霍尔位置定位。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据已知的电机极槽配合关系，建立电机定子绕组绕制结构图，在电机定子绕组绕制结构图中选取某相其中一个线圈所绕制的定子齿轴线作为该相中所有线圈电气角度的0°起始线，同时将该电气角度的0°起始线作为电机定子绕组绕制图的机械角度基准；
步骤二：根据步骤一中的电机定子绕组绕制结构图找出存在步骤一中的该相所在的所有定子槽并得出该所有定子槽的机械角度，根据步骤一中的电气角度的0°起始线和该所有定子槽的机械角度得出该所有定子槽的电气角度，并记录该所有定子槽中该相线圈的层数及该所有定子槽的电气角度，根据该所有定子槽中该相线圈的层数及该所有定子槽的电气角度利用反电动势计算公式得到该相线圈的反电动势电气角度；
步骤三：根据步骤二中的该相线圈的反电动势电气角度得到该相线圈的反电动势机械角度数值，并以电气角度的0°起始线为基准，在电机定子绕组绕制结构图中根据该机械角度数值绘制该相电机绕组反电动势机械角度位置；
步骤四：根据第一个霍尔安装位置滞后该相反电动势30°的电气角度，在电机定子绕组绕制结构图中确定该第一个霍尔位置，并根据第二个霍尔位置与第一个霍尔位置相隔120°+n*360°电气角度确定第一个霍尔与第二个霍尔之间的机械角度，根据第三个霍尔位置与第二个霍尔位置相隔120°+n*360°电气角度确定第二个霍尔与第三个霍尔之间的机械角度，在电机定子绕组绕制结构图中绘制出第一个霍尔、第二个霍尔和第三个霍尔的安装位置，并根据电机磁极对数确定电气周期数，其中，n为周期数。
上述基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法中，在步骤一中，建立电机定子绕组绕制结构图包括在电机定子中建立三相电机绕组，并用+号代表线圈在每个齿的绕制进方向和用-号代表线圈在每个齿的绕制出方向。
上述基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法中，在步骤二中，在表格中记录每槽中该相线圈的层数及其对应的电气角度。
上述基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法中，在步骤二中，找出存在步骤一中的该相所在的所有定子槽并得出该所有定子槽的机械角度包括：计算相邻两个定子槽之间的机械角度；根据电气角度的0°起始线为电机定子绕组绕制图的机械角度基准和相邻两个定子槽之间的机械角度得出该所有定子槽的机械角度。
上述基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法中，相邻两个定子槽之间的机械角度的计算公式如下：
α＝360°/Z＝20°
其中，Z为槽数。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明避免了复杂的电机定子星形磁势的绘制，可以直接利用反电动势数值计算方法实现霍尔位置定位，逻辑清晰，霍尔定位方便适合工程使用；
(2)本发明给出利用电机定子绕组绕制结构图，建立相反电动势电气角度基准和机械角度基准为同一基准，节省了定子星形磁势的电气角度与机械结构的再次转化，电机定子绕组绕制结构图可以清晰确定霍尔位置，方法简单快捷；
(3)本发明利用电机定子绕组绕制结构图，不仅建立电机电气角度关系，更反映了机械角度关系，使得霍尔安装位置简单明了；
(4)本发明利用电机定子绕组绕制结构图中的霍尔位置，展示了绕组绕制与霍尔的相对关系，更加适合电机定子的工程化操作；
(5)本发明利用反电动势数值法，不仅适用于极数槽数少的电机设计，更适合极数槽数多的电机设计，计算简单，逻辑清晰，不容易混乱；
(6)本发明的反电动数值计算求解永磁无刷霍尔位置方法，不仅图示出霍尔位置，并且给出了霍尔位置公式，方法系统全面。
附图说明
图1是本发明的电机定子绕组绕制结构图；
图2是本发明的电机定子绕组绕制结构图中的基准0位图；
图3是本发明的A相反电动势方向图；
图4是本发明的霍尔定位图；
图5是本发明的霍尔定位综合图；
图6是本发明的霍尔位置分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
一种基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据已知的电机极槽配合关系，建立电机定子绕组绕制结构图，在电机定子绕组绕制结构图中选取某相其中一个线圈所绕制的定子齿轴线作为该相中所有线圈电气角度的0°起始线，同时将该电气角度的0°起始线作为电机定子绕组绕制图的机械角度基准；
步骤二：根据步骤一中的电机定子绕组绕制结构图找出存在步骤一中的该相所在的所有定子槽并得出该所有定子槽的机械角度，根据步骤一中的电气角度的0°起始线和该所有定子槽的机械角度得出该所有定子槽的电气角度，并记录该所有定子槽中该相线圈的层数及该所有定子槽的电气角度，根据该所有定子槽中该相线圈的层数及该所有定子槽的电气角度利用反电动势计算公式得到该相线圈的反电动势电气角度；
步骤三：根据步骤二中的该相线圈的反电动势电气角度得到该相线圈的反电动势机械角度数值，并以电气角度的0°起始线为基准，在电机定子绕组绕制结构图中根据该机械角度数值绘制该相电机绕组反电动势机械角度位置；
步骤四：根据第一个霍尔安装位置滞后该相反电动势30°的电气角度，在电机定子绕组绕制结构图中确定该第一个霍尔位置，并根据第二个霍尔位置与第一个霍尔位置相隔120°+n*360°电气角度确定第一个霍尔与第二个霍尔之间的机械角度，根据第三个霍尔位置与第二个霍尔位置相隔120°+n*360°电气角度确定第二个霍尔与第三个霍尔之间的机械角度，在电机定子绕组绕制结构图中绘制出第一个霍尔、第二个霍尔和第三个霍尔的安装位置，并根据电机磁极对数确定电气周期数，其中，n为周期数。
在步骤一中，以16极18槽的电机为例，建立电机定子绕组绕制结构图如图1所示，其中包括电机定子10、电机转子20、定子铁芯30和定子绕组40，电机转子中含有16块N极和S极交错排布的磁钢即16极磁钢，电机定子10包括18槽定子铁芯30以及定子绕组40；定子铁芯30结构为18槽结构形式，结构中以数字1～18表示；电机定子绕组40由三相绕组组成，分别用A、B、C来表示，每槽中根据线圈绕制规律均有双层绕组，字母表示。槽中+号和-号分别代表A、B、C三相绕组是垂直纸面向里和垂直纸面向外。为了对电机某一相反电动势进行计算，那么前提应该设定反电动势电气角度的基准，如图2所示本实施例选择以A相反电动势进行计算，并且以初始槽1和槽2之间齿的轴线作为电气角度的0°起始线，此时A相绕组中一个线圈恰好绕在该齿上。由于电气角度和机械角度可以通过极槽配合关系进行转化，那么，该电气角度的0°起始线也是电机绕组绕制结构中机械角度基准，这样就确定统一的计算基准。
在步骤二中，在图1中的电机定子绕组绕制结构图中找出A相线圈所在的齿槽为1齿槽、2齿槽、3齿槽、4齿槽、9齿槽、10齿槽、11齿槽、12齿槽和13齿槽，根据A相线圈绕组位于电机定子绕组绕制结构图中的机械角度，对1齿槽、2齿槽、3齿槽、4齿槽、9齿槽、10齿槽、11齿槽、12齿槽和13齿槽的A相线圈的电气角度进行计算，同时记录1齿槽、2齿槽、3齿槽、4齿槽、9齿槽、10齿槽、11齿槽、12齿槽和13齿槽中A相线圈的层数，如表1所示。采用数值计算A相反电动势磁势公式，A相反电动势等于A相所有线圈反电动势的矢量和。需要说明的是，图中A、B、C分别代表线圈绕组，+和-分别代表线圈为从+进-出，+垂直纸面向里，-代表垂直纸面向外；数字1～18分别代表定子槽数；
本实施例中的机械角度与电气角度之间换算示例如下：
本实施例以16极18槽电机为例，即极对数P＝8；槽数Z＝18，那么对应相邻两个槽之间或者相邻两个齿之间的机械角度为：
α＝360°/Z＝20°
16极电机转子的相邻两个槽之间或者相邻两个齿之间的电气角度为：
β＝P*α＝8*20＝160°
从β＝P*α＝8*20＝160°可以得知20°的机械角度对应电机电气角度160°。
根据A相线圈在定子槽1齿槽、2齿槽、3齿槽、4齿槽、9齿槽、10齿槽、11齿槽、12齿槽和13齿槽的机械角度，则计算得到对应的电气角度列表如表1所示。
表1
A相反电动势E由所有A相线圈的矢量和，绕组层数2代表2倍的关系。
则A相线圈的反电动势电气角度如下式：
E＝4*eJ4π/9-4*eJ4π/3+2*eJ2π/9-2*eJ14π/9＝3.8794+10.6585i
θ＝70°
其中，θ为A相线圈的反电动势电气角度；
在步骤三中，由A相线圈的反电动势电气角度θ得到A相线圈的反电动势机械角度数值如下式：
以电气角度的0度起始线顺时针旋转8.75°即得到A相反电动势方向，如图3中Ⅱ所示。
在步骤四中，第一个霍尔位置滞后A相反电动势电气角度30°的电气角度γ为下式：
γ＝θ-30°＝40°
则对应在电机定子绕组绕制结构图中的机械角度为η为下式：
以电气角度的0度起始线顺时针旋转5°即得到第一个霍尔安装位置，如图4中Ⅲ所示。
图5为霍尔定位综合图，图中展示了A相反电动势位置、滞后30°电气角度的第一个霍尔安装位置和本实施例电机电气角度的0°起始线，利用电机定子绕组绕制结构图很清晰将第一个霍尔位置表达出来。
如图6所示，由于电机磁极对数P＝8，所以在电机一圈的圆周方向上共有8个电气周期。所以第一个霍尔、第二个霍尔和第三个霍尔彼此之间间隔角度具有一定周期性，该周期的电气角度ω：
ω＝120°+n*360°
n＝0～7(n为周期数)；
每个霍尔对应机械角度转换关系为：
β＝15°+n*45°
n＝0～7(n为周期数)；
按此周期计算，电机定子绕组绕制结构图中霍尔安装位置均有8个，图6中分别用□四边形代表第一个霍尔安装位置、○圆形代表第二个霍尔安装位置和△三角型代表第三个霍尔安装位置。
本发明避免了复杂的电机定子星形磁势的绘制，可以直接利用反电动势数值计算方法实现霍尔位置定位，逻辑清晰，霍尔定位方便适合工程使用；并且本发明给出利用电机定子绕组绕制结构图，建立相反电动势电气角度基准和机械角度基准为同一基准，节省了定子星形磁势的电气角度与机械结构的再次转化，电机定子绕组绕制结构图可以清晰确定霍尔位置，方法简单快捷；本发明利用电机定子绕组绕制结构图，不仅建立电机电气角度关系，更反映了机械角度关系，使得霍尔安装位置简单明了；本发明利用电机定子绕组绕制结构图中的霍尔位置，展示了绕组绕制与霍尔的相对关系，更加适合电机定子的工程化操作；本发明利用反电动势数值法，不仅适用于极数槽数少的电机设计，更适合极数槽数多的电机设计，计算简单，逻辑清晰，不容易混乱；本发明的反电动数值计算求解永磁无刷霍尔位置方法，不仅图示出霍尔位置，并且给出了霍尔位置公式，方法系统全面。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据已知的电机极槽配合关系，建立电机定子绕组绕制结构图，在电机定子绕组绕制结构图中选取某相其中一个线圈所绕制的定子齿轴线作为该相中所有线圈电气角度的0°起始线，同时将该电气角度的0°起始线作为电机定子绕组绕制图的机械角度基准；
步骤二：根据步骤一中的电机定子绕组绕制结构图找出存在步骤一中的该相所在的所有定子槽并得出该所有定子槽的机械角度，根据步骤一中的电气角度的0°起始线和该所有定子槽的机械角度得出该所有定子槽的电气角度，并记录该所有定子槽中该相线圈的层数及该所有定子槽的电气角度，根据该所有定子槽中该相线圈的层数及该所有定子槽的电气角度利用反电动势计算公式得到该相线圈的反电动势电气角度；
步骤三：根据步骤二中的该相线圈的反电动势电气角度得到该相线圈的反电动势机械角度数值，并以电气角度的0°起始线为基准，在电机定子绕组绕制结构图中根据该机械角度数值绘制该相电机绕组反电动势机械角度位置；
步骤四：根据第一个霍尔安装位置滞后该相反电动势30°的电气角度，在电机定子绕组绕制结构图中确定该第一个霍尔位置，并根据第二个霍尔位置与第一个霍尔位置相隔120°+n*360°电气角度确定第一个霍尔与第二个霍尔之间的机械角度，根据第三个霍尔位置与第二个霍尔位置相隔120°+n*360°电气角度确定第二个霍尔与第三个霍尔之间的机械角度，在电机定子绕组绕制结构图中绘制出第一个霍尔、第二个霍尔和第三个霍尔的安装位置，并根据电机磁极对数确定电气周期数，其中，n为周期数。
2.根据权利要求1所述的基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，其特征在于，在步骤一中，建立电机定子绕组绕制结构图包括在电机定子中建立三相电机绕组，并用+号代表线圈在每个齿的绕制进方向和用-号代表线圈在每个齿的绕制出方向。
3.根据权利要求1所述的基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，其特征在于，在步骤二中，在表格中记录每槽中该相线圈的层数及其对应的电气角度。
4.根据权利要求1所述的基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，其特征在于，在步骤二中，找出存在步骤一中的该相所在的所有定子槽并得出该所有定子槽的机械角度包括：计算相邻两个定子槽之间的机械角度；根据电气角度的0°起始线为电机定子绕组绕制图的机械角度基准和相邻两个定子槽之间的机械角度得出该所有定子槽的机械角度。
5.根据权利要求4所述的基于反电动势数值计算的永磁无刷直流电机霍尔定位方法，其特征在于，相邻两个定子槽之间的机械角度的计算公式如下：
α＝360°/Z＝20°
其中，Z为槽数。
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