从零开始之了解电机及其控制（5）霍尔传感与磁场方向

引导问题：为什么需要感知转子位置？

获取转子位置的方式有很多种，包括各种类型的增量式和绝对式编码器、电位计等，然而检测电机方向的标准基线方法是所谓的霍尔效应传感器。

霍尔效应是一种当磁场与导线中电流不平行时，会产生电流和电流正交的电压，并且当磁场与电流垂直时，产生的电压会最大化，实际上这是由于洛伦兹力产生的一种现象。

由于电流是带电粒子的运动，因此，当这些带电粒子穿过磁场时，由于洛伦兹力，它们偏向导体的一侧。因此，导体的一侧相对于另一侧将具有净电荷，这就导致了电压差的产生，

于是可以通过测量次电压差，就可以检测磁铁的北极是否面向或者远离传感器。

 

因为转子为磁铁，而不是定子，在定子周围均匀间隔120°安装三个霍尔传感器，于是可以将转子位置区分为六个60度扇区。

 

霍尔传感器根据面对的磁极，有两种状态，当N极面向它时，传感器输出高电平，当S极面向它时，传感器输出低电平。

 

将三个霍尔效应传感器的读数写为三位二进制数。因此，这些信号有八种可能的配置。注意，三进制0、0、0和二进制 1、1、1无效，因为这意味着磁体的北侧同时面向所有传感器或不面向任何传感器，这在不破坏电机的情况下是不可能的。

六个霍尔扇区如下所示。

   

有了这三个霍尔传感器，就有了一种粗略地识别电机方向的方法，相当于有刷电机中的电刷定位，然后在特定的位置施加电平即可使电机转动。

六步换向即在根据当前转子所处的位置施加对应的换向，由于在60度时，磁场是一定的（方向和大小），所以转子扭矩是变化的（由小到大然后再减小），属于脉动扭矩。

第一节中描述了洛伦兹力，以及磁铁如何通过洛伦兹力对载流绕组施加扭矩。

力的作用是相互的，绕组会在磁铁上产生相反的扭矩，对于无刷电机来说，该扭矩现在位于转子中。

然而，对于无刷电机中使用的某些绕组配置，洛伦兹力的分析变得难以理解，并且特别难以计算，因此，现在我们将重新审视观察电机扭矩产生的等效方法，第二节说过对准扭矩，当将磁铁置于外部磁场中时，磁铁的北侧将被推向磁场的方向，如果该磁体不平行于磁场，则会在磁体上产生净扭矩，当磁铁垂直于外部磁场时，该扭矩将最大化，并且该磁场是否来自另一个永磁体，或者来自流经线圈的电流的感应并不重要。

 

因此，为了最大化转子上的扭矩，我们希望确保通过定子线圈中的感应产生的磁场始终超前转子磁场90度，

为了阐明为什么第二种分析方法有用，我们将研究两种过手简化的电机设计，般来说，我将表示无刷电机中的Y配置绕组，如下所示。电流和绕组以及来自转子的磁场的叉积产生了向有和绕组上半部分以及向左和下半部分的力，因此，顺时针扭矩从磁体施加到绕组，由此产生的反作用扭矩将逆时针方向施加到转子上。

 

对准扭矩方法也很容易看出，流经电线的电流感应出的净磁场将严格指向左侧。这将导致逆时针扭矩，因此，两种产生扭矩的方法都很容易可视化，而且这种表示形式也很容易。

然而，如果您查找无刷电机绕组的图像，您通常会看到看起来更像这样的东西

其实两者是等效的，从对准扭矩的角度考虑这一点，无论哪种情况，将电流流入A相都会产生向下的磁场，使电流流过B相将产生东偏北30 度的磁场，将电流注入C相将产生西偏北30 度的磁场

随着绕组模式变得更加复杂，并且随着转子中使用的磁极对数量的增加，直观地可视化扭矩产生变得非常困难，然而，基本方法是不变的，感应一个磁场，该磁场与转子的磁场正交并引导转子的磁场

将Y接法中线圈从3D等效为2D原理图，其方向使其相位产生与绕组图上相应电阻器逆时针90 度的磁场

 

 

将流经电机的电流视为绕组图上的二维矢量

流入A的电流将沿负i方向流动，并将产生指向负j 方向的磁场

流入B的电流将指向余弦60i 、负正弦60j 的方向的磁场

流入C的电流将指向余弦60 i、正60j的方向的磁场。

在任何时候，电机中的电流都会产生一个磁场矢量，该磁场矢量与电流矢量逆时针旋转90 度，哪么，如果我们将绕组图中的所有电流相加以获得单个净电流矢量，则我们的净磁场矢量将与其逆时针旋转90度。

虽然它的用处可能还不明显，但当我们考虑优化如何最有效地使用电流时，它与对准扭矩一起将变得非常重要。