【零基础玩转BLDC系列】基于霍尔传感器的无刷直流电机控制原理

无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, 简称BLDC）采用电子开关电路来代替直流电机的机械换向器或电刷进行换向，提高了控制系统的可靠，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势。无刷直流电机是永磁同步电机的一种，并不是真正的直流电机，其实质是直流电源输入，采用电子逆变器将直流电转换为交流电，有转子位置反馈的三相交流永磁同步电机。

无刷直流电机转动原理

用右手握住通电螺线管，四指弯曲与电流方向一致，则大拇指所指的一端就是通电螺线管的N极，当绕组缠绕方向一致时，通电螺线管的磁场方向可由电流方向控制。

     

定子绕组通电，可以等效为磁体，转子永磁体受力转动，如下图所示。当转子轴线与定子绕组轴线重合时，改变两头螺线管的电流方向，转自便继续逆时针转动。

无刷直流电机由多极绕组定子、永磁体转子和位置传感器（有的电机没有）组成。BLDC的定子绕组多做成三相对称星形接法，与三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体。

BLDC的定子由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成绕组，从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数BLDC定子有3个呈星形排列的绕组。无刷直流电机的转子由永磁体镶嵌在铁心表面或嵌入铁心内部构成。目前永磁体多采用钕铁硼等稀土永磁材料制作而成。常见的转子结构有两种：表面粘贴式磁极（隐极）和嵌入式磁极（凸极）。无刷直流电机多采用表面粘贴式磁极，即在铁心外表面粘贴永磁体。

以Y型BLDC为例，可以将无刷直流电机模型结构简化如下：

无刷直流电机的基本转动原理是，检测转子的位置，依次给各相通电，使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化，从而带动转子转动。

由前可知，无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来。只有实时监测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机施加不同的电压，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，转子才可以跟着磁场转动起来。

BLDC电机具有三相定子，为了使转子旋转，同一时刻必须以特定的顺序为其中的两相通电，以产生旋转磁场。这种特定的通电顺序一般按照转子所处的空间位置的不同，分为六步，故称为“六步换相”。

每次换相，都有一个绕组连到控制电源的正极（电流进入绕组），第二个绕组连到负极（电流从中流出），而第三个绕组处于失电状态。转矩是由定子线圈产生的磁场和永磁体之间的相互作用产生的。理想状态下，转矩峰值出现在两个磁场正交时，而在两磁场平行时最弱。为了保持电机转动，由定子绕组产生的磁场应不断变换位置，从而产生感应转矩使转子连续转动。“六步换相”定义了给绕组加电的顺序。

AB导通时，合成磁场方向指向330°方向；

AC导通时，合成磁场方向指向30°方向；

BC导通时，合成磁场方向指向90°方向；

BA导通时，合成磁场方向指向150°方向；

CA导通时，合成磁场方向指向210°方向；

CB导通时，合成磁场方向指向270°方向；

每一步相当于60个电角度，6步组成了360个电角度或一次电气旋转。每一步都有两个绕组通电，一个绕组未通电。六步循环加电，可实现电机按指定方向旋转。六步换相加电如下图所示。

基于霍尔传感器的位置检测方法

为了掌握好恰当的换相时刻，减少电机的转矩波动，得到最大的转矩，转子位置的检测非常重要。

位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置、为BLDC控制提供正确换相信息的作用。位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号后送入控制器中，控制器控制定子绕组换相，使电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按一定次序变化，通过气隙形成步进式旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。

位置传感器种类较多，且各具特点。目前，在无刷直流电机中常用的位置传感器有：电磁式、光电式和磁敏式等。最常用的位置传感器是HALL传感器（磁敏式）和编码器（光电式）。

HALL传感器具有体积小，成本较低的特点，通常直接在BLDC电机的定子上安装三个开关型HALL传感器检测转子位置，间隔60°或者120°安装方式。

霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使得正负电荷分别积聚到导体的两侧。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应。霍尔传感器使根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它可以有效的反映通过霍尔元件的此密度。

无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件，根据转子当前的极性，霍尔元件会输出对应逻辑电平0或1，这样只要根据三个霍尔元件产生的电平，就可以判断当前转子的位置，决定电机换相的顺序。

在一个电周期内，三相HALL传感器所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等。以120°安装的HALL传感器为例，3个HALL传感器的输出信号相位互差120°，每转过60°电角度，其中一个HALL传感器状态就会改变。在一个电周期内，3个HALL信号的组合有6种状态，正好对应于“六步换相”过程。

确定好转子位置后，根据转子位置进行换相控制，如下图所示，注意与上图位置稍作了变化。

上面两幅图形象得表示出了六个换相点的位置。具体的转子位置与霍尔码值、导通绕组及合成磁场方向见下表。

转子位置范围	对应转子角度	霍尔码值	导通绕组	合成磁场方向
BA~CA	30°~90°	2	+B,-A	150°
CA~CB	90°~150°	3	+C,-A	210°
CB~AB	150°~210°	1	+C,-B	270°
AB~AC	210°~270°	5	+A,-B	330°
AC~BC	270°~330°	4	+A,-C	30°
BC~BA	330°~30°	6	+B,-C	90°

无刷直流电机、电机驱动电路和控制器组成的系统如下图。