无刷直流电机六步换相法详解：从原理到应用
无刷直流电机六步换相法详解：从原理到应用
前言
无刷直流电机通常采用六步换相法实现电机旋转控制，本次笔记记录无刷电机六步换相的原理和霍尔传感器对无刷直流电机六位象限的检测，以帮助电机进行换相。
一、无刷直流电机的六步换相控制
1.无刷直流电机结构原理
图 1 无刷直流电机的结构示意图
异步交流电机、永磁同步电机和无刷直流电机都是在定子绕组中通入三相交流电以形成旋转磁场，磁场的转速即所谓的同步转速。其中，异步交流电机的转子(如鼠笼式)不需要外加电流，鼠笼在相对于定子磁场的运动中，产生磁感应电流，而受到磁场力，运行时转子的转速与同步转速有相对转速差。
后两者的转子转速与同步转速一致,因为其转子是永磁体，本身具有磁场。
如图1所示，当定子绕组中的A\B\C三个线圈分别通入指定方向的电流，将分别产生120°方向上三个方向的磁场，合成的磁场方向将吸引转子转向指定的方向。如果能够控制三个线圈中产生的磁场方向，那么转子将按照指定的方向进行旋转。
2.六步换相的原理
图2 六步换相原理图
图2中的六种线圈通电方式能够让转子以指定的方式旋转运行。
- 步(1)A中正方向，B中负方向，C中不通电，转子旋转至(1)中位置；
- 步(2)A中不通电，B中负方向，C中正方向，转子旋转至(2)中位置；
- 步(3)A中负方向，B中不通电，C中正方向，转子旋转至(3)中位置；
- 步(4)A中负方向，B中正方向，C中不通电，转子旋转至(4)中位置
- 步(5)A中不通电，B中正方向，C中负方向，转子旋转至(5)中位置；
- 步(6)A中正方向，B中不通电，C中负方向，转子旋转至(6)中位置。
如此往复循环，想要电机持续的旋转，我们只要按照上面转子的响应位置接入相应的电压即可。如图2所示
二、驱动电路设计
为电机定子接入相应电压的方式是采用采用三相桥式电压逆变电路，如下图3所示
图3 三相桥式电压逆变电路
从图3中可以看出，A线圈可以通过A+和A-所在桥臂连接到正电源正端或电源负端。通过A上下桥臂上开关的通断，就可以控制A线圈上的电源正负选择。需要注意的是，A桥臂的上下两个开关不能同时导通，否则将导致该桥臂短路。B线圈和C线圈的电源正负依次类推。
结合图2加以解释，如果我们想呈现图2中第(1)步的磁场状态，我们应该将电力电子器件Q1和Q4导通，Q2、Q3、Q5、Q6关断。此时，A线圈接电源正端、B线圈接电源负端、C线圈不通电。
如需呈现图2中其他5步的磁场状态，则需要改变电力电子器件Q1-Q6的开关状态。
三、霍尔传感器测量转子位置
在图2中旋转磁场的作用下，转子发生旋转。需要测量转子的旋转位置，从而确定应该采用哪一步的通电方式。转子的测量方式有很多种，比如旋转变压器、光电编码器和霍尔传感器等。前两种测量精度较高，通常用于永磁同步电机的控制。霍尔传感器是二值测量输出，输出信号随周围磁场变化产生高和低两种信号。测量圆周上多个位置时，需要布置多处，如图4所示
图4 霍尔传感器的布置
当转子经过这三处霍尔传感器时，三处霍尔传感器将呈现如图5所示的信号变化。将一周分为六个区间，如图5所示
图5霍尔传感器输出
总结
总之，电机控制器通过检测霍尔传感器当前位置，从而利用三相桥式电压逆变电路，对ABC三相线圈施加相应的电压，从而产生相应的六步换相法中的磁场，从而控制转子的旋转。这些过程都是通过微控制器(STM32F4或TMS32F28)或其他专用电机控制芯片(如英飞凌公司产品)。下一篇笔记将开始记录STM32F4中定时器的学习。定时器能够捕捉霍尔传感器的信号跳变沿，并控制六个电力电子开关元件的通断。