霍爾位置傳感器在直流無刷電動機控制系統中的應用

劉　偉

(1.安徽淮北煤電技師學院 教務處，安徽 淮北　235000；2.安徽礦業職業技術學院 教務處，安徽 淮北　235000)

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霍爾位置傳感器在直流無刷電動機控制系統中的應用

劉偉1,2

(1.安徽淮北煤電技師學院 教務處，安徽 淮北235000；2.安徽礦業職業技術學院 教務處，安徽 淮北235000)

摘要：無刷直流電動機是指具有直流電機外部特性的電子換相電動機,位置傳感器電動機是其最基本的一種形式,霍爾元件傳感器以其優良的特性及很小的體積在直流無刷電動機控制系統中獲得廣泛的應用。

關鍵詞：無刷直流電動機；霍爾效應；霍爾位置傳感器

0序言

直流無刷電動機是電動機發展的方向。它既具有交流電動機的諸多優點，如：組成結構簡單、運行可靠性高、操作維修容易等；又具有使用效率高、無勵磁損耗、良好的調速性能等直流電動機的特點。所以,目前直流無刷電動機的應用范圍越來越廣。

最近100多年以來，電動機由于其具有的一系列優點，現已應用在工礦企業和人們日常生活的各個方面。傳統直流電動機的電刷使用機械換向，有機械摩擦，會造成噪音、火花、無線電干擾和壽命短等一系列缺點，再由于制造成本高，維護困難，所以限制了直流電動機的應用。

針對傳統直流電動機的這一缺點，1930年左右，人們就開始研究如何替代原始的機械換向，從而采用電子換向的直流電動機。經過幾十年的發展歷程，在1960年左右終于實現這一替代。從1970年開始，現代科技尤其是電力電子行業得到了突破性的發展，產生了大量更高性能的元器件，如永磁材料、MOSFET、GTR、IPM、IGBT等，這些都為直流無刷電動機的快速發展創造了良好的條件。[1]99

1直流無刷電動機的概況

1.1直流無刷電動機的基本結構

直流無刷電動機由兩大部分組成，即：同步電動機和驅動器，是機電一體化集成的顯著應用。同步電動機的定子繞組一般為具有多相的定子繞組，采用和三相異步電動機相同的三相對稱星形接法。電動機內裝有位置傳感器用來檢測電動機轉子的極性，電動機轉子上粘有已充磁的具有一定磁極對數的永磁材料。

1.2直流無刷電動機的運行特性

直流無刷電動機的運行特性可以簡單描述為以下幾個方面：

①恒定的功率晶體管電壓降；

②可忽略控制電路的功耗；

③電動機的氣隙磁感應強度按正弦規律沿氣隙分布；

④每相繞組對稱并且繞組與相應的電路一致，其對應的電氣時間常數可以忽略不計；

⑤繞組通電時，可以忽略產生磁通的電流對氣隙的影響。

1.3直流無刷電動機的結構及組成

直流無刷電動機的結構和普通直流電動機的結構有細微的差別。電動機換向器的定子磁極取而代之的是永磁轉子，電樞取而代之的是三相繞組定子。[1]152機械裝置和電刷取而代之的是逆變器和轉子位置傳感器組成的電子變換器。

直流無刷電動機的磁場來源于永磁電動機的轉子。電動機的基本特點主要由永久磁鐵在很大程度上決定。目前應用最廣泛的永磁材料是釹鐵硼，其擁有最大的線性范圍。由于這種永磁轉子的結構穩定，在高速運行時不容易飛出，所以它可以適用于高速電機。

2直流無刷電動機轉子位置傳感器

直流無刷電動機轉子位置傳感器的基本作用是測定轉子磁極的位置，從而為邏輯開關電路提供精確的換相信息。位置傳感器將轉子磁極位置信號轉換為電信號，從而對定子繞組的換相進行控制。目前為止有許多類型的位置傳感器，它們都有各自的特點。

直流無刷電動機常用的位置傳感器有以下幾類：磁敏式位置接近傳感器、光電位置傳感器、電磁位置傳感器等。這其中磁敏式位置接近傳感器由于擁有易于集成、結構組成簡單，占地小，安裝操作簡單易懂等優勢，所以目前的使用率最高。

轉子位置傳感器是直流無刷電動機最重要部件之一，它裝在電動機軸上，和直流電動機中的電刷的作用相似，決定著電樞各相繞組什么時間開始通電。[2]18普通直流電動機通過改變電刷的位置，而在直流無刷電動機中是通過改變轉子位置傳感器發生信號的相位。因此轉子位置傳感器對直流無刷電動機的特性影響非常大。

轉子位置傳感器的基本結構通常包括一個位置信號形成器和一個探測元件，其中位置信號形成器隨電動機轉子一起轉動，探測原件一般是靜止不動的。假如位置傳感器由霍爾元件構成，那么探測元件就是霍爾元件，而位置信號形成器就是電動機轉子磁極本身。而電磁感應式、按鍵開關式和光電式等其他類型的轉子位置傳感器，位置信號形成器一般是一個帶缺口的圓盤。[4]735

2.1霍爾傳感器的分類及比較

經過研究發現，半導體也存在霍爾效應，并且半導體的霍爾系數比較大，所以半導體的霍爾電動勢比導體的更加明顯。

霍爾傳感器常見的可分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種，其異同點主要表現為以下幾個方面：

①組成部分 開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成；線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成。

②輸出 線性型霍爾傳感器輸出為模擬量——電壓；開關型霍爾傳感器輸出為數字量——開關信號。

③輸入 線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器的輸入都是變化的磁感應強度。

④功能作用 線性型霍爾傳感器的作用為測量各種電壓、電流、磁場等；開關型霍爾傳感器的作用為由斯密特觸發器的翻轉從而完成開關動作。[2]138

霍爾位置傳感器的結構如圖1所示：

圖1　霍爾位置傳感器結構

2.2霍爾位置傳感器的優點及要求

霍爾位置傳感器具有普通傳感器無法比擬的兩個優點：

①霍爾位置傳感器有非常好的電氣隔離作用，可以如實的反應原、副邊的形態；

②霍爾位置傳感器可以測量任意的電量參數；

③霍爾位置傳感器較其他類型的傳感器，它的測量精度高、線性度好、帶寬大、測量范圍廣。[3]

霍爾位置傳感器在實際應用中一定要滿足以下兩個條件：

①霍爾位置傳感器的每個開關狀態具有相同的電角度，但開關狀態在每個電周期內不重復；

②霍爾位置傳感器的開關狀態數和電動機的工作狀態數要相互對應。只有滿足了上述的相互對應關系，才能實現電動機的換相狀態與霍爾位置傳感器的開關狀態相對應，從而可以實現電動機的換相。

3直流無刷電動機的驅動控制

直流無刷電動機由驅動器實現驅動控制，驅動器一般由功率電子器件和集成電路兩大部分組成。驅動器可以分為正弦波和方波兩種類型，二者的勵磁磁動勢分布波形分別為正弦波和方波。[4]737二者的選型依據主要是電動機的控制系統，尤其是由電動機轉子位置傳感器的類型決定。

驅動器的功能可以用以下幾點來進行描述：

①控制電動機的啟動、停止和制動;通過接收電動機的啟動、停止、制動信號實現；

②控制電動機逆變橋相關部件的通斷，從而產生連續轉矩;通過接收位置傳感器信號和正反轉信號實現；

③控制和調整電動機的轉速;通過接收速度反饋信號實現；

④提供基本的保護和顯示功能。

4總結

直流無刷電動機將傳統的機械換向裝置變更為電子換向裝置，相對傳統的有刷電機、感應電機，直流無刷電動機具有無可比擬的優勢，如：動態特性好，效率高，壽命長，噪音低，轉速范圍寬，易于制造等。直流無刷電動機性能良好，工作可靠，壽命比有刷電機提高了約6倍，代表了電動機的發展方向，所以今后的使用空間也會越來越廣。

參考文獻：

[1]楊耕，羅應立.電機與運動控制系統[M].北京：清華大學出版社,2005.

[2]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京：機械工業出版社,2004.

[3]邢立成，韓豐陽，趙敏.電動車用直流無刷電機電氣制動方法研究[J].山西大同大學學報:自然科學版，2012,28(2):56-58.

[4]許鵬，曹建波，曹秉剛.無位置傳感器直流無刷電機軟件起動[J].電機與控制學報,2009,13(5).

責任編輯：陳靜

收稿日期：2016-04-20

作者簡介：劉偉(1984-)，男，山東煙臺人，講師，研究方向為電氣工程。

中圖分類號：TM332

文獻標識碼：A

文章編號：1671-8275(2016)04-0143-02