霍尔传感器 无刷直流电机：无刷直流电机的工作原理(带霍尔传感器)

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霍尔传感器 无刷直流电机：浅谈霍尔传感器在无刷直流电机中的应用

　　无刷直流电机的工作原理本质上与有刷电机类似，有刷直流电机采用机械的电刷和换向器对绕组中的电流进行换向。而无刷电机采用电子方式对绕组电流换向。
　　直流电机中转矩是通过永磁体磁场和绕组中的电流相互作用产生的，在有刷电机中，换向器通过切换电枢绕组实现电枢电流的换向与合适的磁场。而无刷直流电机中，霍尔位置传感器探测转子旋转磁场的位置，通过逻辑与驱动电路，给相应的绕组激励。总的说来，绕组根据电机永磁体的磁场作出反应，从而产生需要的转矩。如图1是一种三相8极（四对磁极）无刷直流电机基本组成：
　　旋转的永磁体转过双极型数字霍尔传感器时，会使双极型数字霍尔传感器状态发生改变。如上图中8极磁体无刷直流电机中，每两个南极之间相隔90度，霍尔传感器相隔120度放置，此时霍尔传感器之间电角度相隔30度。南极靠近时，双极型数字霍尔传感器转换工作状态，当第一个数字霍尔传感器在0度电角度转为工作状态时，第二个数字霍尔传感器在30度电角度时工作，第三个数字霍尔传感器在60度电解时工作。
　　当北极经过双极数字型霍尔传感器时，数字霍尔传感器会转为释放状态，旋转的8极磁体的每个北极与相邻的南极之间为45度，因此，数字霍尔传感器在磁体转过45度后，会由工作状态转为释放状态。如图2为数字霍尔传感器控制的输出电平状态。
　　上述三个双极型数字霍尔传感器的输出作为转子位置的编码器使用，将磁体的位置和极性信息作为信号发送给逻辑电路，用于开断H形桥式功率管，如图3，三相无刷直流电机典型驱动电路。
　　图中R1，S1，T1可以由上述信号驱动，而R2，S2，T2由上述信号反相后驱动。这样，根据旋转磁体的位置，每对功率管会相应地开通或判断，从而以正确的顺序、在正确的时间为电机绕组提供电流。
　　数字霍尔元件的选型，需根据安装要求（即转子磁场方向）与霍尔元件的感应方向，进行合理选择。

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霍尔传感器 无刷直流电机：直流无刷电机霍尔传感器2种安装方式

?我们在电动车，家用电器，印刷机械等很多行业都可以看到直流无刷电机的应用。直流无刷电机的运行时靠确定霍尔记录转子的位置，传送信号到控制芯片来控制直流无刷电机的工作状态。

? ? 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。

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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。

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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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霍尔传感器 无刷直流电机：霍尔传感器在无刷直流电动机中的应用解析

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