433 基于单霍尔传感器的转子位置检测电路的设计

４实验验证
为了验证所设计电路的正确性，采用一个方波 信号代替电机的霍尔信号进行了实验。方波信号频 率在７ Ｈｚ－－一１．２ ｋＨｚ（女Ｈ果是一对极的电机，电机转 速范围为４２０－－－７２０００ｒ／ｍｉｎ）范围内变化时，都能得 到畸变很小的正弦参考信号。方波信号的频率为１
万方数据
４６８
电子器件
第３１卷
（２）
Ｊ
Ｊ
幻
‘ｏ
式中岛——霍尔输出信号的边沿对应的时刻。
将霍尔输出信号作倍频处理，得到与霍尔输出
信号频率成正比的高频时钟，然后通过计数器来完
成积分运算来预估转子位置，便得到高分辨率的转
子位置信号口，用这个数字量去查表，经Ｄ／Ａ转换
和放大后即得正弦波参考电压，如图１所示。
图１转子位置预估原理
２位置信号预估与补偿电路设计
的速度范围实现预估功能。 ．。
参考文献：
霍尔ｊ嗡出
（ａ）霍尔输出信号与参考信号
（ｓ００伸ｄｒｔ）
（ｂ）速度信号
ｒ
图６ 当霍尔输出信号频率为１ ｋＨｚ的转换结果
５‘应用实验
将该位置检测电路应用于一台２对极的高速永 磁同步电机的基于ＣＲＰＷＭ的驱动系统中，实现了
高速永磁同步电机的稳速控制。在转速为１０ ０００
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ
ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒｓ（ＰＭＳＭ）．Ａ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕ－ ｔｉｏｎ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ａ ｌｏｗ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｈａｌｌ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ａｌｉａ一
锁相环中的鉴相器只根据两个信号的上升沿来 确定相位差。因此，在位置信号和反馈方波信号的 上升沿之前，计数器的时钟频率滞后实际速度；在位 置信号或反馈方波信号的上升沿之后，锁相环根据 相差来使时钟频率上升（加速时）或下降（减速时）， 这是一个动态过程，在这过程中时钟频率是变化的， 在位置信号和反馈方波信号的上升沿之后，时钟频 率是固定的，是最新的周期。所以，动态过程中的参 考电压会有畸变。
控制。实验结果验证了该文所设计电路的可行性。
‘
关键词：永磁同步电机；转子位置检测；锁定型霍尔传感器；检测电路
中图分类号：ＴＭ３５１；ＴＭｌ３３
文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ∞５－９４９０（２００８）０２－０４６５埘
永磁同步电机具有效率高、噪音低、运行可靠、 转矩波动小、控制特性良好等优点，在国防、工业、家 用电器等领域得到了广泛的应用。但传统的永磁同 步电机需要高精度转子位置传感器，但在一些场合 受到空间或成本的限制。如在高速电机中受到空间 的限制，在洗衣机驱动永磁同步电机中受到成本的 限制。锁定型霍尔元件具有体积小、价格低、结构简 单等优点，常用于方波无刷直流电机驱动。近年来， 将锁定型霍尔元件用于正弦波驱动引起了人们高度 的重视‘１引。
…Ｑ）ｚ对应一个高分辨率位置角度。设上一（乳ｔ， 绯ｚ’．．·Ｑ）ｚ，则对应的电角度良为：
而＝ｚ·２７ｒ／２Ｎ
（３）
于是用二进制数（Ｑ—ｔ，（击卜２’．．·Ｑｏ）２去查正弦
．
波表，经Ｄ／Ａ和放大后，便得到正弦参考信号。
蓬群藿ｆ 口Ｉ 、【，●Ｊ －．；－一 磊研．．．ｃ暑‰
ｆ∽
图２位置预估和补偿原理框图 由于锁相环是通过鉴相来鉴频，而本系统只是
妊冀黧嚣挈星善鬈委：勰薯善磊銎６结论 的正弦参考信号几乎没有畸变，而且速度信号的波 ” ’Ｈ～
动很小。
。
（１）经过该检测电路的处理，能将低分辨率得
ＣＨｌ—，ｖ ＤＣＩｍＩ
霍尔信号转换为高分辨率的转子位置信号，速度信
厂。 ＼参考ｔ ｉ压 ／入
传’ ＼｜
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…．．Ｊ
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号可从该检测电路中获得。 （２）选择合适的参数，该检测电路能适应较宽
万方数据
图３预估和补偿电路
第２期
徐永向，胡建辉等：基于单霍尔传感器的转子位置检测电路的设计４６７
绝对零位信号产生电路原理图如图４所示。在同一 参数下，传统的锁相环电路能锁定的最低频率为１２ Ｈｚ，而改进的带有绝对零位信号的锁相环电路能锁 定的最低频率为７ Ｈｚ。如果采用传统的策略来实 现，不但跟踪速度较慢，而且会使低速时参考电压与 霍尔输出信号有很大相位差，即给定电压与反电势 的相差可能很大，会使系统不能正常起动。
ｃｉｒｃｕｉｔ ｉＳ ｆｅａｓｉｂｌｅ．，
．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｈａｌｌ Ｓｅｎｓｏｒ；ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
ＥＥＡＣＣ：７２３０；８３１０Ｄ
基于单霍尔传感器的转子位置检测电路的设计
徐永向。，胡建辉，邹继斌，姚 郁
相器输出为高电平，电容充电，由于时间很短，压控
振荡器的电压差可表示为：
啪］厂］厂］厂
啪］几厂］厂
Ｆ＝， 啪…．譬Ｌ～ｚ竺 ．ｒ。
啪啪＿．Ｔ—若—Ｔ ］———厂
ＡＶ警×鼎 图５预估电路工作时序图．７； ㈣
式中：ＲＣ——滤波器的时间参数；
Ｋ——电容上的初始电压；
‰——鉴相器输出的高电平电压。
当电机减速时，霍尔输出信号滞后反馈信号，鉴
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｔｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｏｎｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｈａｌｌ Ｓｅｎｓｏｒ
ＸＵＹｏｎｇ－ｘｉａｎｇ’，ＨＵＪｉａｎ－ｈｕｉ，ＺＯＵＪｉ－ｂｉｎ，ＹＡＯ Ｙｕ
（Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
相器输出为低电平，电容放电，压控振荡器的电压差
为： ∥一岂×蕊‰
＠）
一在低速时，＾和砜很小，电容充电时和放电时 的△ｙ相差较大，低通滤波器的时间常数较小会造 成系统不稳定，低通滤波器的时间常数太大又会使 得动态品质变差。而在高速时，砜很大，电容充电 时和放电时的△Ｖ虽然相差较大，但高速时＾也较 大，电容充电时和放电时的△Ｖ都较小，低通滤波器 的时间常数较小不影响系统的稳定，但为提高系统 的动态品质，滤波器的时间常数应较小。因此，在设 计滤波器参数时要综合考虑系统稳定性和动态响 应。为了保证低速起动阶段的稳定性和高速稳速阶 段的动态品质，采用两套滤波器，即在低速时采用时 间常数较大的滤波器，在高速时采用时间常数较小 的滤波器，在适当的时候切换［６］。
２．１位置信号预估与补偿原理 基于锁相环技术的预估和补偿原理框图如图２
所示［３］。鉴相器有两个输入信号Ｖｈ（￡）和Ⅵ（￡）， Ｖｈ（￡）为霍尔输出信号，Ｖｆ（ｔ）为Ⅵ（￡）的２Ｎ分频输出。 ｕ（￡）正比于Ｖｈ（￡）和Ⅵ（￡）的相位差。Ｖｈ（￡）经低通 滤波器后得到一个平均电压Ｖ－ｖ（￡），Ｗ（￡）控制压控 振荡器的频率变化，使Ｕ（￡）和Ⅵ（ｆ）的频率之差不断， 减少，直到相差为零。此时，砜（￡）和Ⅵ（￡）的频率相 位都相同，处于锁定状态，Ｋ（ｔ）的频率正好是砜（￡） 的频率的２Ｎ倍。于是每一个二进制数（Ｑ一１，（ｋ：，
将霍尔输出信号作倍频处理得到与霍尔输出信号频率成正比的高频时钟然后通过计数器来完成积分运算来预估转子位置便得到高分辨率的转子位置信号用这个数字量去查表经da转换和放大后即得正弦波参考电压如图1所示
第３１卷第２期 ２００８年４月
电子器件
Ｄｗｉ瞄 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｖ０１．３１ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００８
本文对基于单个锁定型霍尔传感器的转子位置 检测电路进行了设计。通过对低分辨率的位置信号 的数字化和补偿，可以得到高精度的转子位置信号。 同时，转速信号可以从位置信号处理电路中得到。
将这种转子位置传感方法应用基于ＣＲＰＷＭ的驱 动系统中，实现了高速永磁同步电机的是双极触发元件，所以通常锁
压控振荡器输出的频率是霍尔输出信号频率的 ２Ⅳ倍。在压控振荡器线性范围内，压控振荡器输入与 霍尔频率成线性关系，所以可以作为速度反馈信号。 ２．２电路实现
基于锁相环原理设计的位置信号数字化电路原 理如图３所示［７－ｓ］．ＣＤ４０４６中包含一个鉴相器和一 个压控振荡器，Ｕ２、Ｕ３与Ｕ４、Ｕ５分别组成一个异 步清零的８位二进制计算器。锁定后的霍尔输出信 号与Ⅵ（ｆ）为同频率同相位，压控振荡器输出的频 率是霍尔输出信号频率的２５６倍。
ｒ／ｍｉｎ时，负载力矩为１ Ｎｍ时Ａ相参考电压和绕 组电流如图７所示，电流中除了ＰＷＭ引起的高次
（哈尔滨工业大学，哈尔滨１５０００１）
摘 要：在永磁同步电机矢量控制系统中，常需要高分辨率的转子位置信号。通过设计一个转子位置检测电路将低分辨率
的霍尔信号转换成高分辨率的转子位置信号。详细分析了转子位置检测电路的原理，同时对该位置检测电路的静态预估误
差和动态过程进行了分析。该电路用于一台高速永磁同步电机驱动系统中，实现了高速永磁同步电机的正弦波驱动的稳速
１ｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔＯＯ．Ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ
ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ＰＭＳＭ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ
也会发生变化。由于速度信号经过一个低通滤波 器，速度信号滞后实际的速度，所以位置信号跟踪上
实际位置的变化时，需要经历一个过渡过程，位置检 测误差可能较大。基于锁相原理的预估电路（如图 ３所示）的工作时序如图５所示。
当电机加速时，霍尔输出信号的周期小于反馈 信号的周期，但由于零位信号的作用使得两个信号 的下降沿相同，因此霍尔输出信号超前反馈信号，鉴
‘‘，ｒ＝２ｒｃｆｈ／ｐ
（１）
收稿日期：２００７－０１—３１ 作者简介：徐永向（１９７７－），男，工学博士，讲师，现为哈尔滨工业大学教师，从事永磁电机及其控制的研究，如ｙｘ＠ｈ沁ｅｄｕ．ｃｎ，
万方数据
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电子器件
第３１卷
式中：＾——霍尔输出信号的频率。
，：’ｆ时刻的电角度可表示为：
。
。，
｝
｝
良一ｌ ｐ·铆出＝２，ｃｌ＾出
３精度分析与动态跟踪问题
（１）稳态预估精度
当电机以稳定速度运行时，不考虑霍尔输出信
号的误差时，这种转子位置检测方法的稳态检测精
度是分频系数２Ⅳ决定，检测精度为：
ａ【血一７ｒ／２川
（４）
当２。Ｎ一２５６时，稳速运行位置检测精度达 ０．０１２ ２７ ｒａｄ。提高分频系数可以提高预估精度。
（２）动态跟踪问题 当电机转速发生变化时，霍尔输出信号的频率
图４零位信号产生电路 如图３所示，位置补偿采用精密数字移相电路 实现，移相电路与预估电路是融合在一起的，Ｕｚ、Ｕ。
是主计数器，Ｕ４、Ｕ５组成的从计数器。主计数器提 供基准相位，主计数器的最高位提供反馈信号，即 Ⅵ（ｆ）信号接锁相环的输入¨（￡）。每一个清零脉 冲使主计数器清零，而使从计数器置于预先设定的 数，Ｔｏ＝（Ｄ，ＡＤ。）ｚ上，所以主从计数器之间始终具 有相同的频率，但存在与ＸＯ相对应的相位差岛，因 此，校正的相位差由从计数器的预置端输入即可。 同时，超前控制角只需与安装误差相加就可从预置 端输入。由于安装误差可以通过电路来补偿，因此， 可以降低霍尔元件的安装精度要求。
通过锁相环来使压控振荡器的输出为方波信号的 ２Ｎ倍频。绝对零位信号耽（￡）是一个小于２肛ｓ的 脉冲信号，在每个霍尔输出信号的下降沿产生。绝 对零位信号使得Ｕ（￡）和Ｖｆ（ｔ）的零位总是相同，即 下降沿相同，所以，鉴相器检测到的相差与频差成比 例，这样提高了跟踪速度和跟踪准确度。
由于安装位置与理想位置可能存在偏差，这需 要在电路中进行校正补偿。转子转角良与霍尔输 出信号砜（￡）总是存在一定的相位差，因此，安装误 差可以通过设定岛来补偿。
定型霍尔元件的导通时间等于截止时间，脉冲波形
是占空比为５０％的方波，它具有良好的稳定性和可
靠性。在永磁同步电机中，在定子的适当位置安放
一个霍尔元件，转子匀速旋转时，霍尔元件就会输出
一个上升沿和下降沿与转子磁场强度Ｂｏ的过零点
相对应的方波信号，锁定型霍尔元件只有１８０电角
度的分辨率。
电机稳定运行时，电机的机械角速度可表示为：