無刷直流電機 霍爾傳感器：無刷直流電機的工作原理(帶霍爾傳感器)
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無刷直流電機 霍爾傳感器：無刷直流電機的工作原理(帶霍爾傳感器)_1
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無刷直流電機的工作原理
無刷直流電機的控制結(jié)構(gòu)
無刷直流電機是同步電機的一種，也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響：N=120．f/P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機特性的方式。也就是說無刷直流電機能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。無刷直流驅(qū)動器包括電源部及控制部如圖(1)：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)。控制部則提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時機。無刷直流電機一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動時速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，做為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控
無刷直流電機 霍爾傳感器：無刷直流電機霍爾傳感器的作用
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? ? 已有一些文獻(xiàn)對如何確定霍耳信號與定子繞組關(guān)系進(jìn)行了研究，并提出了一些檢測方法。提出了區(qū)分無刷直流電機定子繞組、霍耳傳感器引腳的方法，但這種方法適用于霍耳傳感器的輸出為模擬量的情況，而無刷直流電機的霍耳傳感器大多輸出數(shù)字量。根據(jù)線反電勢與換相信號的關(guān)系來判斷換相信號與繞組關(guān)系，使用DSP 捕捉線反電勢過零點，使用示波器來采集線反電勢波形，要獲得線反電勢，兩種方法都要借助外力使電機轉(zhuǎn)動。需要將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到特定位置，然后根據(jù)繞組通電情況判斷，實現(xiàn)不太方便。提出了一種無刷直流電機相序故障自恢復(fù)方法，但這種方法需提前獲知霍耳信號的安裝方式，即120°安裝還是60°安裝。
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1、直流無刷電機原理
? ? 三相無刷直流電機常采用兩兩導(dǎo)通的方式工作，兩兩導(dǎo)通指任意時刻逆變器只有2只開關(guān)管開通。無刷直流電機需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來切換工作狀態(tài)，也就是說換相點是無刷直流電機正常工作必不可少的信息。圖1為三相無刷直流電機換相點示意圖，為便于理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對于三相無刷直流電機，每個電周期內(nèi)有6個不同的換相點，也就是說每個電周期內(nèi)電機換相6次。
霍耳傳感器常用來檢測無刷直流電機換相點。三相無刷直流電機需要3 個霍耳傳感器來檢
測6 個不同的位置，霍耳傳感器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個霍耳傳感
器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個霍耳傳感器互差60° （電角度），2 種安裝方法對應(yīng)霍耳傳感
器的輸出信號如圖2 所示，圖2 中霍耳信號跳變的位置就是換相點。2 種安裝方式最大的區(qū)別在于采用60 ° 安裝時可以輸出“000”和“111”信號，而120° 安裝則不會輸出這2 個信號，通過這一點可以判斷霍耳傳感器的安裝方式。
?不管采用哪種安裝方式，輸出的霍耳信號將每個電周期分為6 個區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某個區(qū)域時，特定的繞組通電，無刷直流電機即可正常運行，若霍耳信號與繞組關(guān)系不準(zhǔn)確，電機將無法工作，甚至?xí)斐呻姍C或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機霍耳信號與繞組關(guān)系自學(xué)習(xí)方法。
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三相直流無刷電機轉(zhuǎn)矩可以由下式來計算；
? ? T =eaia + ebib + ecicω式中：ea ，eb ，ec 為三相相反電勢；ia ，ib ，ic 為三相相電流；ω 為電機角速度。空載時，在電機繞組中通以固定電流，電機轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到某一位置并停止，此時電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩零圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳傳感器將電周期分成的6 個區(qū)域，當(dāng)兩兩導(dǎo)通時，通電的兩相繞組電流大小相等，方相反，電機轉(zhuǎn)矩為零的點分布在各個區(qū)域的邊界上；當(dāng)采用三三導(dǎo)通時，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那么其它兩相電流為－I/2，此時電機轉(zhuǎn)矩為零的點分布在各個區(qū)域的中間位置，如圖3 所示。通過以上分析可以知道，要使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一個區(qū)域，采用三三導(dǎo)通的方法要比兩兩導(dǎo)通的方法更加合理。
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? ?在某一個特定的區(qū)域，正常工作時需要通電的直流無刷電機繞組是一定的，如圖3 中的區(qū)域Ⅰ，兩兩導(dǎo)通時需A 相和B相繞組通電，要想產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，A 相繞組應(yīng)通正電流，B 相繞組應(yīng)通負(fù)電流，記為“A+B-”，要產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩則“B+A-”，其它區(qū)域內(nèi)直流無刷電機繞組通電的情況如表1 所示。如果電機采用三三導(dǎo)通方式工作，可以根據(jù)反電勢很容易地得出繞組通電情況，這里就不再列舉。
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