无刷直流电机 霍尔传感器：无刷直流电机的工作原理(带霍尔传感器)

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无刷直流电机 霍尔传感器：无刷直流电机的工作原理(带霍尔传感器)_1

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内容来自用户:xuwei
无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机的控制结构
无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120．f/P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图(1)：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控

无刷直流电机 霍尔传感器：无刷直流电机霍尔传感器的作用

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? ? 这里的霍尔的作用就用来记录直流无刷电机的转子的位置，从而控制换相功率，在三相直流无刷电机里，用三个霍尔传感器就可以记录六个相位的位置。

? ? ?随着电力电子技术的发展，无刷直流电机得到了越来越广泛的应用，在电动车辆、家用电器、纺织机械等领域都可以见到无刷直流电机的身影。无刷直流电机工作时，需要根据转子位置的不同来切换工作状态。霍耳传感器常用来检测无刷直流电机的换相位置，对于三相无刷直流电机，3 个霍耳传感器就可以将6 个换相位置检测出来。常用的霍耳传感器安装方式有120 ° 安装和60° 安装2 种，2 种方法都可以输出6 个不同的霍耳信号，分别对应6 个不同的区域，当无刷直流电机转子转到某一区域时，对应的绕组通电，电机就可以正常工作，若霍耳信号与绕组关系错误，就无法正常工作，甚至会对电机或功率器件造成损坏。因此，确定霍耳信号与定子绕组关系对于无刷直流电机而言非常重要。

? ? 已有一些文献对如何确定霍耳信号与定子绕组关系进行了研究，并提出了一些检测方法。提出了区分无刷直流电机定子绕组、霍耳传感器引脚的方法，但这种方法适用于霍耳传感器的输出为模拟量的情况，而无刷直流电机的霍耳传感器大多输出数字量。根据线反电势与换相信号的关系来判断换相信号与绕组关系，使用DSP 捕捉线反电势过零点，使用示波器来采集线反电势波形，要获得线反电势，两种方法都要借助外力使电机转动。需要将转子转到特定位置，然后根据绕组通电情况判断，实现不太方便。提出了一种无刷直流电机相序故障自恢复方法，但这种方法需提前获知霍耳信号的安装方式，即120°安装还是60°安装。

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? 采用三三导通的方式将电机转子依次转到6个位置，并纪录对应的霍耳信号，以此来判断绕组与霍耳信号关系。该方法无需提前获知霍耳传感器是120°安装还是60°安装，也无需借助外力使电机转动，安全可靠，简单易行，可以广泛应用于带霍耳传感器的无刷直流电机应用场合，如电动自行车、纺织机械等。

?

1、直流无刷电机原理

? ? 三相无刷直流电机常采用两两导通的方式工作，两两导通指任意时刻逆变器只有2只开关管开通。无刷直流电机需要根据转子位置来切换工作状态，也就是说换相点是无刷直流电机正常工作必不可少的信息。图1为三相无刷直流电机换相点示意图，为便于理解，特给出了反电势以及相电流波形，图中ea，eb，ec代表三相相反电势，由图可见，对于三相无刷直流电机，每个电周期内有6个不同的换相点，也就是说每个电周期内电机换相6次。

霍耳传感器常用来检测无刷直流电机换相点。三相无刷直流电机需要3 个霍耳传感器来检

测6 个不同的位置，霍耳传感器的安装有120° 安装和60° 安装2 种方式，120° 安装指3 个霍耳传感

器互差120° （电角度），而60°安装指3 个霍耳传感器互差60° （电角度），2 种安装方法对应霍耳传感

器的输出信号如图2 所示，图2 中霍耳信号跳变的位置就是换相点。2 种安装方式最大的区别在于采用60 ° 安装时可以输出“000”和“111”信号，而120° 安装则不会输出这2 个信号，通过这一点可以判断霍耳传感器的安装方式。

?不管采用哪种安装方式，输出的霍耳信号将每个电周期分为6 个区域，当转子转到某个区域时，特定的绕组通电，无刷直流电机即可正常运行，若霍耳信号与绕组关系不准确，电机将无法工作，甚至会造成电机或逆变器损坏。下面介绍一种无刷直流电机霍耳信号与绕组关系自学习方法。

?

三相直流无刷电机转矩可以由下式来计算；

? ? T =eaia + ebib + ecicω式中：ea ，eb ，ec 为三相相反电势；ia ，ib ，ic 为三相相电流；ω 为电机角速度。空载时，在电机绕组中通以固定电流，电机转子将转到某一位置并停止，此时电机产生的转矩零图3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳传感器将电周期分成的6 个区域，当两两导通时，通电的两相绕组电流大小相等，方相反，电机转矩为零的点分布在各个区域的边界上；当采用三三导通时，三相绕组均通电，若电流最大相的电流为I，那么其它两相电流为－I/2，此时电机转矩为零的点分布在各个区域的中间位置，如图3 所示。通过以上分析可以知道，要使转子转到某一个区域，采用三三导通的方法要比两两导通的方法更加合理。

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? ?在某一个特定的区域，正常工作时需要通电的直流无刷电机绕组是一定的，如图3 中的区域Ⅰ，两两导通时需A 相和B相绕组通电，要想产生正转矩，A 相绕组应通正电流，B 相绕组应通负电流，记为“A+B-”，要产生负转矩则“B+A-”，其它区域内直流无刷电机绕组通电的情况如表1 所示。如果电机采用三三导通方式工作，可以根据反电势很容易地得出绕组通电情况，这里就不再列举。

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