霍尔位置传感器在直流无刷电动机控制系统中的应用

刘　伟

(1.安徽淮北煤电技师学院 教务处，安徽 淮北　235000；2.安徽矿业职业技术学院 教务处，安徽 淮北　235000)



霍尔位置传感器在直流无刷电动机控制系统中的应用

刘伟1,2

(1.安徽淮北煤电技师学院 教务处，安徽 淮北235000；2.安徽矿业职业技术学院 教务处，安徽 淮北235000)

摘要：无刷直流电动机是指具有直流电机外部特性的电子换相电动机,位置传感器电动机是其最基本的一种形式,霍尔元件传感器以其优良的特性及很小的体积在直流无刷电动机控制系统中获得广泛的应用。

关键词：无刷直流电动机；霍尔效应；霍尔位置传感器

0序言

直流无刷电动机是电动机发展的方向。它既具有交流电动机的诸多优点，如：组成结构简单、运行可靠性高、操作维修容易等；又具有使用效率高、无励磁损耗、良好的调速性能等直流电动机的特点。所以,目前直流无刷电动机的应用范围越来越广。

最近100多年以来，电动机由于其具有的一系列优点，现已应用在工矿企业和人们日常生活的各个方面。传统直流电动机的电刷使用机械换向，有机械摩擦，会造成噪音、火花、无线电干扰和寿命短等一系列缺点，再由于制造成本高，维护困难，所以限制了直流电动机的应用。

针对传统直流电动机的这一缺点，1930年左右，人们就开始研究如何替代原始的机械换向，从而采用电子换向的直流电动机。经过几十年的发展历程，在1960年左右终于实现这一替代。从1970年开始，现代科技尤其是电力电子行业得到了突破性的发展，产生了大量更高性能的元器件，如永磁材料、MOSFET、GTR、IPM、IGBT等，这些都为直流无刷电动机的快速发展创造了良好的条件。[1]99

1直流无刷电动机的概况

1.1直流无刷电动机的基本结构

直流无刷电动机由两大部分组成，即：同步电动机和驱动器，是机电一体化集成的显著应用。同步电动机的定子绕组一般为具有多相的定子绕组，采用和三相异步电动机相同的三相对称星形接法。电动机内装有位置传感器用来检测电动机转子的极性，电动机转子上粘有已充磁的具有一定磁极对数的永磁材料。

1.2直流无刷电动机的运行特性

直流无刷电动机的运行特性可以简单描述为以下几个方面：

①恒定的功率晶体管电压降；

②可忽略控制电路的功耗；

③电动机的气隙磁感应强度按正弦规律沿气隙分布；

④每相绕组对称并且绕组与相应的电路一致，其对应的电气时间常数可以忽略不计；

⑤绕组通电时，可以忽略产生磁通的电流对气隙的影响。

1.3直流无刷电动机的结构及组成

直流无刷电动机的结构和普通直流电动机的结构有细微的差别。电动机换向器的定子磁极取而代之的是永磁转子，电枢取而代之的是三相绕组定子。[1]152机械装置和电刷取而代之的是逆变器和转子位置传感器组成的电子变换器。

直流无刷电动机的磁场来源于永磁电动机的转子。电动机的基本特点主要由永久磁铁在很大程度上决定。目前应用最广泛的永磁材料是钕铁硼，其拥有最大的线性范围。由于这种永磁转子的结构稳定，在高速运行时不容易飞出，所以它可以适用于高速电机。

2直流无刷电动机转子位置传感器

直流无刷电动机转子位置传感器的基本作用是测定转子磁极的位置，从而为逻辑开关电路提供精确的换相信息。位置传感器将转子磁极位置信号转换为电信号，从而对定子绕组的换相进行控制。目前为止有许多类型的位置传感器，它们都有各自的特点。

直流无刷电动机常用的位置传感器有以下几类：磁敏式位置接近传感器、光电位置传感器、电磁位置传感器等。这其中磁敏式位置接近传感器由于拥有易于集成、结构组成简单，占地小，安装操作简单易懂等优势，所以目前的使用率最高。

转子位置传感器是直流无刷电动机最重要部件之一，它装在电动机轴上，和直流电动机中的电刷的作用相似，决定着电枢各相绕组什么时间开始通电。[2]18普通直流电动机通过改变电刷的位置，而在直流无刷电动机中是通过改变转子位置传感器发生信号的相位。因此转子位置传感器对直流无刷电动机的特性影响非常大。

转子位置传感器的基本结构通常包括一个位置信号形成器和一个探测元件，其中位置信号形成器随电动机转子一起转动，探测原件一般是静止不动的。假如位置传感器由霍尔元件构成，那么探测元件就是霍尔元件，而位置信号形成器就是电动机转子磁极本身。而电磁感应式、按键开关式和光电式等其他类型的转子位置传感器，位置信号形成器一般是一个带缺口的圆盘。[4]735

2.1霍尔传感器的分类及比较

经过研究发现，半导体也存在霍尔效应，并且半导体的霍尔系数比较大，所以半导体的霍尔电动势比导体的更加明显。

霍尔传感器常见的可分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种，其异同点主要表现为以下几个方面：

①组成部分 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成；线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成。

②输出 线性型霍尔传感器输出为模拟量——电压；开关型霍尔传感器输出为数字量——开关信号。

③输入 线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器的输入都是变化的磁感应强度。

④功能作用 线性型霍尔传感器的作用为测量各种电压、电流、磁场等；开关型霍尔传感器的作用为由斯密特触发器的翻转从而完成开关动作。[2]138

霍尔位置传感器的结构如图1所示：

图1　霍尔位置传感器结构

2.2霍尔位置传感器的优点及要求

霍尔位置传感器具有普通传感器无法比拟的两个优点：

①霍尔位置传感器有非常好的电气隔离作用，可以如实的反应原、副边的形态；

②霍尔位置传感器可以测量任意的电量参数；

③霍尔位置传感器较其他类型的传感器，它的测量精度高、线性度好、带宽大、测量范围广。[3]

霍尔位置传感器在实际应用中一定要满足以下两个条件：

①霍尔位置传感器的每个开关状态具有相同的电角度，但开关状态在每个电周期内不重复；

②霍尔位置传感器的开关状态数和电动机的工作状态数要相互对应。只有满足了上述的相互对应关系，才能实现电动机的换相状态与霍尔位置传感器的开关状态相对应，从而可以实现电动机的换相。

3直流无刷电动机的驱动控制

直流无刷电动机由驱动器实现驱动控制，驱动器一般由功率电子器件和集成电路两大部分组成。驱动器可以分为正弦波和方波两种类型，二者的励磁磁动势分布波形分别为正弦波和方波。[4]737二者的选型依据主要是电动机的控制系统，尤其是由电动机转子位置传感器的类型决定。

驱动器的功能可以用以下几点来进行描述：

①控制电动机的启动、停止和制动;通过接收电动机的启动、停止、制动信号实现；

②控制电动机逆变桥相关部件的通断，从而产生连续转矩;通过接收位置传感器信号和正反转信号实现；

③控制和调整电动机的转速;通过接收速度反馈信号实现；

④提供基本的保护和显示功能。

4总结

直流无刷电动机将传统的机械换向装置变更为电子换向装置，相对传统的有刷电机、感应电机，直流无刷电动机具有无可比拟的优势，如：动态特性好，效率高，寿命长，噪音低，转速范围宽，易于制造等。直流无刷电动机性能良好，工作可靠，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动机的发展方向，所以今后的使用空间也会越来越广。

参考文献：

[1]杨耕，罗应立.电机与运动控制系统[M].北京：清华大学出版社,2005.

[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社,2004.

[3]邢立成，韩丰阳，赵敏.电动车用直流无刷电机电气制动方法研究[J].山西大同大学学报:自然科学版，2012,28(2):56-58.

[4]许鹏，曹建波，曹秉刚.无位置传感器直流无刷电机软件起动[J].电机与控制学报,2009,13(5).

责任编辑：陈静

收稿日期：2016-04-20

作者简介：刘伟(1984-)，男，山东烟台人，讲师，研究方向为电气工程。

中图分类号：TM332

文献标识码：A

文章编号：1671-8275(2016)04-0143-02