直流无刷电机的运行原理和霍尔位置检测

直流无刷电机的运行原理和霍尔位置检测

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Semi_Sonic/article/details/144346606

直流无刷电机（BLDC）是一种广泛应用于各种设备中的高效电机，其运行原理和位置检测技术是电机控制领域的核心内容。本文将详细介绍直流无刷电机的工作机制，并重点阐述霍尔传感器在电机位置检测中的应用。

直流无刷电机（BLDC）

直流无刷电机（BLDC）和直流有刷电机是相对的，最明显的特点是没有换向器。转子是由永磁体构成的，定子是由铜线圈缠绕的绕组构成的。截面动态示意图如下所示.

内部结构简图是结构很简单的2极（2个磁体）3槽（3个线圈）电机。线圈采用Y形接法，使用霍尔元件为线圈供给电流，根据旋转的磁体位置来控制电流的流入和流出。霍尔元件配置在线圈和线圈之间，根据磁场强度检测产生的电压并用作位置信息。

直流无刷电机的运行方式

为了易于理解，将按照步骤①～⑥来说明无刷电机的旋转原理，图中的永磁体也从圆形简化成了矩形。

■ 步骤 ①

• 在三相线圈中，设线圈1固定在时钟的12点钟方向上，线圈2固定在时钟的4点钟方向上，线圈3固定在时钟的8点钟方向上。设2极永磁体的N极在左侧，S极在右侧，并且可以旋转。
• 使电流Io流入线圈1，以在线圈外侧产生S极磁场。使Io/2电流从线圈2和线圈3流出，以在线圈外侧产生N极磁场。
• 在对线圈2和线圈3的磁场进行矢量合成时，向下产生N极磁场，该磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的0.5倍大小，与线圈1的磁场相加变为1.5倍。这会产生一个相对于永磁体成90°角的合成磁场，因此可以产生最大扭矩，永磁体顺时针旋转。
• 当根据旋转位置减小线圈2的电流并增加线圈3的电流时，合成磁场也顺时针旋转，永磁体也继续旋转。

■ 步骤 ②

• 在旋转了30°的状态下，电流Io流入线圈1，使线圈2中的电流为零，使电流Io从线圈3流出。
• 线圈1的外侧变为S极，线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时，产生的磁场是电流Io通过一个线圈时所产生磁场的√3（≈1.72）倍。这也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场，并顺时针旋转。
• 当根据旋转位置减小线圈1的流入电流Io、使线圈2的流入电流从零开始增加、并使线圈3的流出电流增加到Io时，合成磁场也顺时针旋转，永磁体也继续旋转。
• 假设各相电流均为正弦波形，则此处的电流值为Io × sin(π ⁄ 3) = Io×√3 ⁄ 2。通过磁场的矢量合成，得到总磁场大小为一个线圈所产生磁场的(√3 ⁄ 2)2 × 2 = 1.5 倍。当各相电流均为正弦波时，无论永磁体的位置在哪，矢量合成磁场的大小均为一个线圈所产生磁场的1.5倍，并且磁场相对于永磁体的磁场成90°角。

■ 步骤 ③

• 在继续旋转了30°的状态下，电流Io/2流入线圈1，电流Io/2流入线圈2，电流Io从线圈3流出。
• 线圈1的外侧变为S极，线圈2的外侧也变为S极，线圈3的外侧变为N极。当矢量合成时，产生的磁场是电流Io流过一个线圈时所产生磁场的1.5倍（与①相同）。这里也会产生相对于永磁体的磁场成90°角的合成磁场，并顺时针旋转。

** ■ 步骤 ④～⑥ **

• 以①～③相同的方式旋转。
• 如果不断根据永磁体的位置依次切换流入线圈的电流，则永磁体将沿固定方向旋转。同样，如果使电流反向流动并使合成磁场方向相反，则会逆时针旋转。下图显示了上述①～⑥每个步骤的每个线圈的电流。

无刷电机的位置检测

电机的位置，即永磁转子位置，也就是电机的电角度，如果不知道转子位置，就不知道何时驱动哪个绕组，无刷电机依靠传感器提供位置信息进行驱动的方式，称为有感驱动，霍尔传感器就是用来检测永磁体位置的。以矽睿半导体SWU332NS霍尔传感器磁场检测示意图为例，如下图所示。

在直流无刷电机中，通常会使用三个霍尔传感器来检测旋转的永磁体位置时，将霍尔元件的安装位置设置在线圈和线圈之间的中点，即1/2角度对应的位置。

假设线圈3与线圈1之间的霍尔元件为H1，线圈1与线圈2之间的霍尔元件为H2，线圈2与线圈3之间的霍尔元件为H3，则顺时针方向旋转的电流波形与霍尔元件的信号波形对比如下（中段波形）。

驱动时，由根据转子位置而变化的霍尔元件输出信号波形合成输出电流波形。合成是由H1电压波形减去H2电压波形，H2电压波形减去H3电压波形，H3电压波形减去H1电压波形。通过这些运算，可以获得相位比H1、H2和H3提前30°的正弦波形（M1、M2、M3）。只要基于这些信号生成输出电流，即可创建用于驱动具有所需相位的电机的电流波形。

要合成用于反转的输出电流信号时，需要从H2中减去H1，从H3中减去H2，从H1中减去H3。也就是说，基于M1＝H2－H1、M2＝H3－H2、M3＝H1－H3，根据M1、M2和M3的组合波形的相位提供输出电流，即可实现反转。

直流无刷电机中霍尔元件选型指南

直流无刷电机中常用双极霍尔开关SWU332NS，该类元件高耐温，高耐压，频率高，可长时间稳定工作。

矽睿半导体霍尔开关SWU332NS是一款耐高压双极霍尔开关芯片，采用高压bipolar工艺制程。

该芯片内部由电压稳压单元、霍尔电压发生器、差分放大电路、温度补偿电路、集电极开路输出电路组成。

工作形式为输入磁感应强度，输出为数字电压信号。SWU332NS具有可耐高电压冲击，具有极强的抗噪能力；适用于各种电子消费类、汽车和工业控制等领域。并且提供TO92S和SOT23-3L两种封装形式，且封装都符合RoHS标准。

高灵敏度：SWU332NS能够准确响应磁场变化，实现高精度的检测和控制。

稳定性好：SWU332NS具有稳定的电气性能，能够在各种环境下稳定工作。

低功耗：SWU332NS采用了独特的时钟电路和低工作电压设计，确保了极低的功耗。

易于安装和维护：SWU332NS的结构牢固，体积小，重量轻，安装方便，且不易受灰尘、油污等污染或腐蚀。