无刷直流电动机中的霍尔位置传感器

微特电机

SMALL & SPECIAL ELECTRICAL

MACHINES

1999年第27卷第5期Vol.27 No.5

1999

无刷直流电动机中的霍尔位置传感器

蔡耀成

【摘要】无刷直流电动机中使用的位置传感器有许多种类，而霍尔位置传感器因具有结构简单，安装方便灵活，易于机电一体化等优点，目前已越来越得到广泛的应用。该文对这类传感器的结构、工作原理、设计原则等方面做较详细的介绍。

【关键词】无刷直流电动机霍尔位置传感器

中图分类号：TM38 文献标识码：A

文章编号：1004-7018(1999)05-0014-05

Hall Position Sensors in Brushless DC Motor

Cai Yaocheng

(Changzhou Micro & Special Motors General Factory,Jiangsu

Changzhou 213011)

【Abstract】There are many position sensors used in brushless DC motors.Featuring simple structure,easy to mount and mechano-electronized,Hall sensors are becoming more and more widely used.This article will give a detailed introduction to construction,operation and design principles of these Hall sensors.

【Keywords】brushless motor Hall position sensor

1 前言

位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。

位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。它们各具特点，然而由于磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵

活方便、易于机电一体化等优点，目前得到越来越广泛的应用。本文将对这种位置传感器的结构原理，构成原则等作一分析。

2 霍尔传感器

磁敏式传感器是一种以磁场激发的磁敏元器件，它是名目繁多的传感器中重要的一个家族。磁敏传感器的种类很多，有磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁抗元件、方向性磁电元件、霍尔元件、霍尔集成电路，以及利用这些元器件二次集成的磁电转换组件。其中以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。

2．1 半导体中的霍尔效应

1879年美国霍普金斯大学的霍尔（ E.H.Hall）发现，当磁场中的导体有电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还出现电压。这个现象后来被称为霍尔效应。随后人们又发现，不仅是导体，而且在半导体中也存在霍尔效应，并且霍尔电势更明显，这是由于半导体有比导体更大的霍尔系数的缘故。

众所周知，任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场的作用力，该力称为洛伦兹力，其大小可用下式表示：

F=qvB (1)

式（1）表明，洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q，粒子的运动速度v及磁感应强度B成正比。

图1是在一长方形半导体薄片上加上电场E

后的情况。在没有外加

x

的相反方向运动，形成一股沿电场方向的电磁场时，电子沿外加电场E

x

流I，如图1a所示。当加以与外电场垂直的磁场B时，运动着的电子受到洛伦兹力的作用将向左边偏移，并在该侧面形成电荷积累，如图1b

所示。由于该电荷的积累产生了新的电场，称为霍尔电场。该电场使电子在受到洛伦兹力的同时还受到与它相反的电场力的作用。随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断增加，霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏移，从而使电子又恢复到原有的方向无偏移地运动，达到新的稳定状态，如图1c所示。然而，与无磁场时

，这个霍尔电场的积分，就在不同的是，在半导体两侧产生了一电场E

H

元件两侧间显示出电压，成为霍尔电压，这就是所谓的霍尔效应。

图1 半导体中电子运动的状态示意图

图2 霍尔效应原理

根据霍尔效应的原理，可制成如图2所示结构的半导体元件霍尔元件。对于一定的半导体薄片，其霍尔电动势E可用下式表示：

(2)

(3）

式中：R

H

霍尔系数（ m3/C）；

I

H

控制电流（A）；

B磁感应强度（T）；

d薄片的厚度（m）；

ρ材料电阻率（Ω.m）；

μ材料迁移率（m2/(V.s）。

若式（2）中常数项用K

H

表示，则有

E=K

H I

H

B (4)

式中：K

H

霍尔元件的灵敏度［mV／（mA.T）］，

当磁感应强度B和霍尔元件的平面法线成一角度θ时，实际上作用于霍尔元件的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcosθ，此时霍尔电势为：

E＝K

H I

H

Bcosθ（5）

上述霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不方便。随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块硅外延片上，这就构成了霍尔集成电路。

2．2 霍尔传感器的分类

2．2．1 按结构分类

霍尔传感器按其结构可分为霍尔元件、霍尔集成电路和霍尔功能组件三大类。

2．2．2 按功能分类

霍尔传感器按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁定型三种。

(a) 线性型线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成，其功能方块图如图3所示。输入为线性变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场测量、非接触测距、黑色金属检测等。其输出特性曲线如图4所示。

图3 功能方框图

图4 磁电转换特性曲线

(b）开关型开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁感应强度，输出为数字信号。图5是其输出特性曲线。这种开关的导通和截止过程只和外界磁感应强度的大小有关，而不需要磁场极性的变换。它的磁滞回线相对于零磁场轴是非对称的。图6显示了这种开关电路在交变磁场作用下的输出特性。

图5 输出特性

图6 交变磁场下的输出特性

(c) 锁定型锁定型传感器同样也是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器、输出级等五部分组成，其功能方框图如图7所示。

图7 锁定型传感器功能方框图

锁定型传感器实质上也是一种开关型器件，与一般霍尔开关的差别在于，它是由双磁极激发的。由于双磁极霍尔锁定器的磁滞回线相对于零磁场轴是对称的，在交变磁场作用下输出波形可得到1∶1的占空比，且不受外界温度及交变磁场峰值大小的影响。图8是双磁极霍尔锁定器的输出特性。从图中可以看到其磁滞回线相对于零磁场轴是对称的。图9显示了这种霍尔锁定器在交变磁场作用下的输出特性，其输出波形的占空比为1∶1。

图8 输出特性

图9 交变磁场下的输出特性

霍尔锁定器的基本工作过程是：当外界磁场方向为正时，霍尔元件的差分输出电压为正，这个电压经放大器放大后作为触发器的触发信号。当信号电压随外界磁感应强度的增强而增加，达到触发器导通电压阈值时，电路的输出随之由高电平变为低电平，此后，如果外界磁感应强度继续增加，触发器维持导通状态不变。由于触发器的导通和截止电压阈值的设计是对称的，所以当外界磁感应强度减弱时，触发器仍维持导通状态。只有当外界磁场改变极性并达到一定强度时，霍尔元件输出的负触发信号达到触发器的截止阈值电压，触发器才由导通跃变为截止，因而磁场的极性每变换一次，电路的输出就完成一次开关转换。

3 霍尔位置传感器

3．1 位置传感器的结构

霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子是由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电机转子的位置。图10为霍尔位置传感器的结构示意图。

图10 霍尔位置传感器结构示意图

3．2 位置传感器的基本功能

位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。也就是说电动机传感器的永磁转子每转过一对磁极（N、S极）的转角，就要产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，

以完成电动机的一个换流全过程。如果转子充磁的极对数越多，则在360°机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多。

3．3 位置传感器的构成原则

要构成一个霍尔位置传感器必须满足以下两个条件：

(a) 位置传感器在一个电周期内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应相等。

(b）位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。

如果位置传感器输出的开关状态能满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换向状态对应起来，进而完成换向。

然而，对于每一种组合的霍尔位置传感器并非都能满足上述要求的。先以一个由相互间隔为60°电角度的三个霍尔元件A、B、C所组成的霍尔位置传感器为例，图11为霍尔元件输出波形组合图，表1是霍尔元件的输出状态表。

图11 霍尔元件输出波形组合图

表1 霍尔元件输出状态

由前面所述的锁定型霍尔开关元件的原理可知，在一个电周期内，即转子的一对磁极转角内，当其感受N及S二个不同极性磁场的作用时，将呈现出“高电平”及“低电平”（或者相反）两个不同的状态，这两个不同的状态所占的电角度相等，各为180°。把三个相互错开60°电角度的波形组合在一起，就可以看出究竟能产生多少开关状态。从图11及表1可以看出，这种组合的霍尔位置传感器能产生六个不同的开关状态，且所占的电角度都相等，各为60°，这样的传感器能满足上述要求。

下面再以一个由相互间隔36°电角度的四个霍尔元件a、b、c、d

所组成的霍尔位置传感器为例。

从图12及表2可以看到，这样的位置传感器尽管能产生十个开关状态，但其中有两个是重复的。换句话说，这个传感器只能产生八个开关状态，但其中有两个所占的电角度与其它的不相等，因此这种组合的霍尔位置传感器就不能满足上述要求。

图12 霍尔元件输出波形组合图

表2 霍尔元件输出状态

3．4 位置传感器的设计

霍尔位置传感器的设计可分为定子设计和转子设计。定子设计主要是确定霍尔元件的数目、它们之间相互间隔的位置角度以及安装的位置。转子设计主要是确定充磁的极对数。

3．4．1 定子设计

(a）霍尔元件数目的确定

开关型霍尔传感器是一个双值元件。一个双值元件仅有“ 0”和“ 1”两种状态，两个双值元件便有四个状态，而n个双值元件则可组成2n个状态。按照这样的规律，我们可以根据电动机的分配状态数确定所需霍尔元件的最少个数。例如二相导通三相六状态的电机，在一个电周期内需要六个不同的状态，二个霍尔元件产生不了六个状态，因而所对应需要的霍尔元件数起码是三个。而五相十状态电机，所需的霍尔元

件数起码是四个。

但是，上述规律仅仅是从理论上考虑一个多位双值系统能构成多少个不同的状态，只能为我们在确定霍尔元件的个数时提供一个大致的范围，最后还必须使用上节所述的波形组合法，才能最终确定一个实际的位置传感器需要多少个霍尔元件。

(b）霍尔元件相隔的位置角

首先把每个霍尔元件所产生的波形等分成电动机所需要的逻辑分配状态数，然后把它们相互错开一定的位置角后组合在一起，倘若最终能产生所要求的开关状态数，则这个位置角就是可取的。

如果分配状态是单数的话，可以把该数乘以2，再按乘2后的数进行等分。

图13 霍尔元件输出波形组合图

表3 霍尔元件输出状态

当然所得到的位置角并不是唯一的，图13及表3是间隔120°电角度的三个霍尔元件的输出波形组合图及输出状态表。比较图11和图13可以看出，两种情况都能产生出六个不同的状态，因此只要符合上述条件，都能构成位置传感器。

在确定霍尔元件间隔距离的过程中，始终是以电角度为单位的。事实上还必须把此转换为机械角度才能在实际无刷直流电动机中进行安装。这个空间机械角度的大小与传感器转子充磁的极对数有关，可以用下式来计算：

(6)

式中：α空间机械角度；

θ电角度；

p传感器转子充磁极对数。

(c）安装位置

图14是一相导通三相三状态时的无刷直流电动机转矩波形图。从图中可以看到，当某一相通电时的定子磁场中心线和永磁转子的磁场中心线重合时转矩为零。而二者成90°电角度时则转矩为最大，其变化规律呈正弦形。通过计算可以得到，C相和A相两转矩曲线的交点a，离开后通电相A相通电时的定子磁场中心线的位置为30°电角度，而交点a，b 之间的距离为120°电角度。因此各相转矩曲线的交点正是换向的最佳位置，位置传感器就应该安装在该位置上。

图14 三相三状态无刷直流电动机的转矩

3．4．2 转子设计

霍尔位置传感器的转子可以直接利用电动机的主转子，也可以和主转子分体安装。如果分体安装，那么其充磁的极对数一般设计成和电动机的主转子一样，以确保换向节拍和主转子磁极处在换向位置的时间是同步的。这样可提高平均转矩，同时降低转矩的波动值。

4 结束语

霍尔传感器是名目繁多的传感器中重要的一个家族，因其具有稳定、可靠，频率响应宽、体积小，结构牢固，易于安装等优点，目前已越来越多地被用于无刷直流电动机中。

霍尔位置传感器的设计可以采用波形组合法，其构成的方案并非是唯一的，但是只要能满足上述条件，就可以作为无刷直流电动机的位置传感器。

作者单位：(常州微特电机总厂，江苏常州 213011)

参考文献

1 叶金虎．无刷直流电动机［M］．北京：科学出版社，1982

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，1996

收稿日期：1999－08－02

无刷直流电机的工作原理(带霍尔传感器)

无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机的控制结构 无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120．f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说无刷直流电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 无刷直流驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。无刷直流电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。

（图一） 无刷直流电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL 一组， 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则

永磁无刷直流电动机的基本工作原理

永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同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，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。

基于直流无刷电机霍尔信号的位置估算

基于直流无刷电机霍尔信号的位置估算 技术领域 本发明涉及一种利用低分辨率霍尔位置信号，通过一定算法，来比较精确地估计转子位置和转速。以便能够对直流无刷电机采用矢量控制。 背景技术 目前，直流无刷电机在电动车领域应用较广，一者该类型电机功率密度高、调速性能好，二者是其成本较低，有些配置较低成本的霍尔位置传感器。 一般情况下直流无刷电机采用方波驱动，控制简单。然其换向间的电流突变，会造成较大的转矩脉动，产生较大的噪声污染。采用正弦波驱动，即矢量控制，所产生的转矩脉动明显小于方波驱动。但是矢量控制需要连续的、高精度的位置信息，本文介绍的算法就是针对简单的霍尔信号来估算出较高精度的转子位置信号。 发明内容 本文针对的对象有霍尔位置传感器的直流无刷电机中，三个霍尔元件HA 、HB 、HC 在空间上依次间隔120°电角度。输出的信号也是依次间隔120°，脉宽180° 电角度的方波。如下图1所示。 PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 PWM5 Hall A Hall B Hall C PWM6 图1 方波驱动霍尔信号与PWM 信号对应图

由上图可知，三相霍尔信号每60°跳变一次，分别对应一个电周期的六个状态（15°、45°、105°、165°、225°、285°、345°）。这里看出霍尔传感器的分辨率仅为60°。 为了获取高分辨率的转子位置，本文提出基于转子平均转速（60°间的平均转速）来估算转子位置。 设i θ为霍尔信号跳变时刻对应转子位置，1-i ω为转子在i θ和1-i θ之间的平均转速，1-i T 为转子在i θ和1-i θ之间的间隔时间，那么有： 113/--=i i T πω （1） 为得到当前某一位置时刻的转子转速，引入转子转速平均加速度a ，有 2/)(21211-----+-=i i i i i T T a ωω （2） 那么可算出转子当前某一位置的瞬时转速为： k i i i i ip kT a T a 11112/----++=ωω （3） 其中，k T 为采样周期，k 为当前时刻到i θ对应时刻的采样次数。 当前转子位置为 21111)(21 )2/(k i k i i i i ip i ip kT a kT T a dt ----+++=+=?ωθωθθ （4） 对转子位置每60°进行重新校正，引入转子平均加速度计算得到的转子位置，在转速动态调整时，转子位置计算偏差得到较好抑制。

霍尔传感器在电动车中的应用及维护要点

霍尔传感器在电动车中的应用 随着科技事业的突飞猛进，当今社会的人们对享受科学技术带来的便捷生活要求是越来越高，因此也对科学技术的再发展提出了更高更好的要求。机电一体化技术发展就是科技发展道路上的一个时代，这也是一种必然的发展趋势，为以后更高级更全面的技术发展提供了铺垫。 电动车是一种非常伟大的机电一体化的发明之一。它解放了人类的脚，不再需要人力脚蹬车，以电动力来驱动车子的前进。它是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力。 为了真正能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，就必须做好关键的细节技术问题，而传感器就是一个非常好的反馈信息的电子器件，正因为在电动车中有传感器的存在，才使得电动车能够有序的稳定的安全向前行驶。 霍尔传感器仅是传感器大家庭中的一分子，它类属于磁敏传感器，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。而在电动自行车中是有多处利用了霍尔传感器，如调速转把，刹把，以及无刷电机中等。 电动车调速转把 调速转把顾名思义是电动车的调速部件，这是一种线性调速部件，样式很多但工作原理是一样的。它一般位于电动车的右边，既骑行时右手的方向，电动车转把的转动较度范围在0—30度制之间。 转把与闸把的信号特征： 1．转把的形式、信号特征及其信号改制 电动车的转把有3根引线：分别是电源（细红 +5V），地线（细黑），转把调速信号线（线形连续变化信号细绿）。

电动车上使用的转把有光电转把和霍耳转把两种，目前采用霍耳转把的电动车占绝大多数。霍耳转把的内部电路如图： 常见线性霍尔元件型号有AH3503 AH49E A3515 A3518 SS495 如AH3503线性霍尔电路由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成，其输入是磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压。静态输出电压（B=0GS）是电源电压的一半左右。S磁极出现在霍尔传感器标记面时，将驱动输出高于零电平；N磁极将驱动输出低于零电平；瞬时和比例输出电压电平决定与器件最敏感面的磁通密度。提高电源电压可增加灵敏度。 产品特点：体积小、精确度高、灵敏度高、线性好、温度稳定性好、可靠性高 霍耳转把输出电压的大小，取决于霍耳元件周围的磁场强度。转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出电压。 在电动车上使用的霍耳转把的信号有以下几种：

直流无刷电机反电动势过零检测方法汇总

直流无刷电机反电动势过零检测方法汇总 Modified by JACK on the afternoon of December 26, 2020

直流无刷电机反电动势过零检测方法 一般的永磁无刷直流电机是由三相逆变桥来驱动的，根据转子位置的不同，为了产生最大的平均转矩，在一个电角度周期中，具有6个换相状态。在任意一个时间段中，电机三相中都只有两相导通，每相的导通时间间隔为120°电角度。例如，当A相和B相已经持续60°电角度时，C相不导通。这个换相状态将持续60°电角度，而从B相不导通，到C相开始导通的过程，称为换相。换相的时刻取决于转子的位置，也可以通过判断不导通相过零点的时刻来决定。通过判断不导通相反电动势过零点，是最为常用也最为适合的无位置传感器控制方法。 反电动势过零点的检测方法是，通过测量不导通相的端电压，与电机的绕组中点电压进行比较，以得到反电动势的过零点。但对于小电枢电感的永磁无刷直流电机，在许多情况下，绕组中点电压难以获取，并且需要使用电阻分压和进行低通滤波，这样会导致反电动势信号大幅地衰减，与电机的速度不成比例，信噪比太低，另外也会给过零点带来更大的相移。 与上面的方法相比，更为常用的是虚拟中点电压法。假设A相和B相导通，则A和B两相电流大小相等，方向相反，C相电流为零，则根据永磁无刷直流电机数学模型有

根据上述方程，将不导通相的端电压与所计算的虚拟中点电压进行比较，也可以获得反电动势的过零点。这种方法十分简单，实现也比较方便。但是，由于无刷直流电机按一定频率进行PWM斩波控制，其计算出的虚拟中点电压也会随着PWM的高低电平而发生相同频率的在电源和地电平之间的变化。这样，就会带来极大的共模电平和高频噪声，会影响反电动势过零点检测的精确性。同样，和中点比较法一样，这种方法也必须要对绕组端电压进行分压和低通滤波。 这样，在一个PWM周期中，电枢绕组相电流就必然存在断续状态。速度提高时，电枢绕组中会产生峰峰值极大、频率很高的反电动势。由于以上特点，一些普遍采用的BLDC无位置传感器的控制方法均不适合。现有的无位置传感器的控制方法，如端电压检测法和转子位置估计法等，将很难得到良好的控制效果，其理由如下所述： 首先，无刷直流电机要求在电机转速提高的过程中，采用现有的端电压与中点电压比较的方法，要对三相绕组进行分压阻容滤波，计算出不导通相反电动势的过零点，再延后一定时间进行换相。但是，这样得到的反电动势过零点会因为无刷直流电机转速提高而产生过大的相移，导致当检测到反电动势过零点后，真正的换相点已经过去，从而造成换相失误。另外，现有的转子位置估

无刷直流电机的组成及工作原理

无刷直流电机的组成及工作原理 2.1 引言 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。下文从无刷直流电动机的三个部分对其发展进行分析。 2.2 无刷直流电机的组成 2.2.1 电动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。该类型电机正处于研究开发阶段。 2.2.2 电子换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT 模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 2.2.3 转子位置检测电路

无刷直流电机中霍尔传感器空间安放位置研究

无刷直流电机中霍尔传感器空间安放位置研究 0 引言 霍尔位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组的换向导通[1]。初步实验结果表明，电枢反应和位置传感器的改变对霍尔检测信号影响较大，直接影响了电机绕组的换流，引起电机力矩波动从而带来噪音。文中针对引起霍尔传感器位置检测误差的主要因素进行了分析，并且通过对样机电机的三维有限元仿真计算，得到了霍尔传感器检测漏磁场的分布，为霍尔传感器的安放位置提供了依据。 1 霍尔安放位置问题 1.1 产生霍尔传感器位置检测误差的因素 产生霍尔传感器位置检测误差的因素主要有以下两方面：①霍尔传感器的参数；②传感器安装位置处的磁场变化[2]。 ①磁密滞环宽度 开关型霍尔元件只有在检测到磁场到达某一数值时，霍尔开关接通；而磁感应强度降低到某一数值以下，霍尔开关断开，因此输出信号的过零点与磁密过零点并不重合。而这些事件的触法点叫吸合点和释放点。开关型产品一般都给出吸合点和释放点的最大和最小磁感应强度，保证在最大吸合点和最小释放点所有开关接通或断开，但某一开关可能在这两个极限值之内吸合或释放。虽然某些产品不给出某一元件在两极限值之内的具体切换点，但保证有最小滞环，这一特性使得输出信号不会因为输入信号的微小波动而发生错误的跳变，以防抖动。实际应用中霍尔传感器的输出信号与绕组反电势之间期望的相位关系只能在一个方向上实现[3]。在另一个方向上将出现位置检测误差，如位置误差值为磁密滞环宽度，等于二倍的磁密门槛值；式中s 是从0 到D 值之间磁密随转子转角的平均变化率。如果传感器敏感的磁密按幅值为0.3T 的正弦函数变化，霍尔传感器的门槛值为0.01mT，则在一个电周期内位置误差为θ = arcsin（2*0.01/0.3）=3.85° 。 由式(1)可知，霍尔检测位置误差值可以通过选择滞环宽度小的霍尔传感器或者通过合理的计算安装位置处的磁密来选择合适的安装位置以获得高的磁密的变化率来进行抑制。 ②霍尔传感器的磁密敏感区 永磁电机中的磁铁在霍尔传感器正面产生磁场，且随着所产生磁场大小的变化，霍尔传感器接通或断开。当磁感应强度B 与霍尔传感器的平面法线成一角度θ 时，实际上作用于霍尔传感器的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcosθ 。因此，当霍尔传感器的安装有角度偏差时，传感器的有效磁场将发生变化，此时的偏差角为θ ，由此产生的误差值既取决于这个夹角θ ，又取决于敏感区法线方向上磁密的变化程度[4]。因此，可以通过尽可能的减小传感器的装配误差以起到抑制这种误差的效果。 1.2 转子磁钢所产生的磁场变化对霍尔检测误差的影响转子磁钢产生霍尔传感器检测位置所需的磁密，永磁体所产生磁场的不均匀或转子的不同心会造成一周内磁场变化的不一致；此外，传感器通常安装在永磁体电机的端部，直接用电机的转子作为自己的转子，感应出所需要的磁场，但是当绕组通电流后，强的端部电枢反应会使位置检测处的磁场严重畸变，造成位置检测误差[5]。 2 对永磁电机端部磁场进行三维有限元分析 2.1 永磁电机的三维有限元模型 对永磁电机中传感器安装区域内的磁场分析时不能忽略永磁体的边缘效应与铁磁材料的弥散效应，因此二维有限元法不适于在此进行磁场的定量计算。使用三维有限元法可以实现对整个电机端部磁场的定性和定量分析，进行不同位置处的磁场分析，以确定传感器的安装位置[6]。文中在定子

直流无刷电动机及其调速控制

直流无刷电动机及其调速控制 1．直流无刷电动机的发展概况与应用 有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。 1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。 随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算

三槽无刷直流电动机

中图分类号:T M36+ 1 文献标志码:A 文章编号:100126848(2009)0320036203 三槽无刷直流电动机 吕学文,吕瑰丽,范　瑜 (北京交通大学电气工程学院,北京　100044) 摘　要:介绍了分数槽无刷直流电动机的优点,分析了三槽无刷直流电动机的特点、结构、控制系统与工作原理和控制方法等。实验结果表明,系统的硬件及控制策略设计合理,具有良好的运行性能。 关键词:无刷直流电机;反电势法;实验 Three 2teeth Slotted Brushless D i rect Curren tM otor LV Xue 2wen,LV Gui 2li,F AN Yu (Electrical Engineering School of Beijing J iaot ong University,Beijing 100044,China ) Abstract:The advantage of fracti onal sl otted brushless direct current mot or (BLDC Mot or )was intr o 2duced .Characters of three 2teeth sl otted BLDC mot or were analyzed .The structure,operati on p rinci p le and contr ol strategy of contr ol syste m were researched . It was shown that the hardware and contr ol strate 2 gy of this syste m were reas onable and good running perf or mance .Key W ords:B rushless DC mot or;Back E MF method;Ex peri m ent 收稿日期:2008203205 0　引　言 无刷直流电动机(BLDC M )既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点,故在当今国民经济的诸多领域,如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。在有些领域,如家用小电器、电动玩具等,出于成本和制造工艺的考虑,希望所用电机越简单越好,因此三槽直流电机曾经风靡一时,但是由于传统的直流电机都采用电刷机械方法换向,因此会产生火花和电磁干扰,使电机寿命短,限制了其应用。文献[1]中提及的三槽无刷直流电机的方案给人们很大 启发。三槽无刷直流电机既具备三槽直流电机的结构简单和制造方便的特点,又可以避免其机械换向产生的火花、电磁干扰等缺点,改善了其性能,扩大了其应用领域。 1　分数槽电机 设电机总槽数为z ,极对数为p ,相数为m ,则每极每相槽数为: q =z 2m p (1) q 为整数,则为整数槽绕组;q 为分数,则为 分数槽绕组。本文所讨论的三槽无刷直流电机中, z =3,p =1,m =3,则: q = z 2m p =32×3×1=1 2 (2) 故三槽无刷直流电机属于分数槽电机的一种。采 用分数槽的主要优点是:(1)电枢冲片的齿槽数减少,便于电枢冲片和铁心的制作;(2)每个齿上绕制一个集中线圈,从而可采用自动绕线机绕制,可以显著地提高劳动生产率,降低电动机的制造成本;(3)能显著地缩短电枢线圈的端部长度,节省铜材,并减小电枢漏抗,增加电动机的出力,提高灵敏度和效率;(4)减小齿槽效应引起的转矩脉动 [2] 。 2　三槽无刷直流电动机 211　电机本体 有的应用场合,如剃须刀、录音机、小玩具、内置式血泵等,主要从电机的的体积和电磁功率两个方面去考虑电机本体的设计。从无刷直流电机的设计角度来讲,在电磁负荷一定时,电动机的体积随电动机电磁功率的增加而增加,随电动 ? 63?微电机 2009年第42卷第3期

无刷直流电机中的霍尔传感器分析与设计

无刷直流电机中的霍尔传感器分析与设计 针对无刷直流电机中霍尔传感器安装工艺上的缺陷，设计实现了一个基于虚拟仪器架构的逻辑信号检测分析仪对电机霍尔传感器信号进行检测。采用AT89S52单片机作为信号采集器，通过RS232串口实现单片机与PC通信，应用VB 设计图形化的界面对采集的数据进行分析。 无刷直流电机（BLDC）应用中，常采用霍尔传感器来检测电机转子的实际位置，给电子换向提供依据。然而，由于制造工艺的限制，霍尔传感器的安装有可能会产生物理位置偏差，从而造成电子换向的时间发生偏差，影响电机的转速和平稳度。为了能检测出这个制造工艺上的缺陷，在工业上采用了专用的电机检测设备，然而这些设备结构复杂、体积庞大、价格昂贵。本文基于虚拟仪器架构的设计思想，设计了一个低成本的逻辑信号检测分析仪来检测电机霍尔传感器信号。 1.系统方案 本设计采用廉价的51 单片机作为信号采集器，51单片机将采集的数据通过RS232串口发送给PC，PC再对这些数据进行记录和分析并且绘制波形。硬件部分的结构如图1所示。 利用51单片机的P1口作为信号采样口，可以同步采集8路逻辑信号，然后通过RS232串口，将同一时刻采集到的8路逻辑电平作为一个字节的8个bit传送给PC。 图1 硬件结构图。 2.软件部分 2.1单片机部分 AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS 8位微控制器，其具有8KB可擦写1000次的在线可编程ISP 闪存、3级程序存储器加密、 256B内部ARM、32 条可编程I/O线、3个16位定时器#计数器、8 个中断源、UART串行通道等特点。在AT89S52单片机上，采用P1口作为采样口，Timer()为等待时间计时器，Timer2用于串口波特率的定时器。串行口数据通信协议是：数据传输速率为57600b/s 8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。串行口通信初始化程序为：

无刷直流电机转子位置检测的新方法

无刷直流电机转子位置检测的新方法 作者：山东大学陈瑜黄玉王兴华 要 摘要：介绍了无刷直流电机无位置传感器转子位置检测的一种新方法。该方法利用非导通相反电势逻辑电平经逻辑处理后得到一脉冲列，采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，通过倍频电路计数器的计数值可以精确检测转子位置。利用数字比较技术将计数值与锁存器中的预置数值比较，可以精确控制绕组电流的最佳换向时刻。通过调节锁存器中的预置值可以方便地调节换向角，非常适用于无刷直流电机的各种控制算法。同时该方法克服了外同步起动过程中易产生的振荡和失步现象。通过实验证明该方法是正确的、有效的。 关键词：无刷电机；无位置传感器；检测 1引言 无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行。传统的位置传感器是采用电子式或机电式传感器件直接测量，如霍尔效应器件（HED）、光学编码器、旋转变压器等。然而，这些传感器有以下缺点： ①分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降。 ②增加了电气连接数目，给抗干扰设计带来一定困难。 ③占用电机结构空间，限制了电机的小型化。 因此，无刷直流电机的无位置传感器化技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究，提出了诸多方法，主要可分为反电势法、电感法、磁链法、旋转坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波器法等［1～4］。反电势法简单、可靠，得到了广泛应用，其它方法由于计算复杂、对参数的鲁棒性差等原因应用较少。但反电势法的缺点是： ①低速时反电势小，难以得到有效转子位置信号，系统低速性能差。 ②需用低通滤波器去掉端电压中高频噪声并移相30°以满足换流要求，对滤波器要求较高，同时滤波器容易产生移相误差，而且移相误差大小与速度有关，难以补偿［5］。 ③对换相角调节困难，无法控制换相角γ（超前或滞后）的大小。 ④若采用外同步脉冲起动，当驱动信号由外同步脉冲驱动向内同步脉冲驱动切换时，由于切换点的相位误差易产生振荡甚至失步［6］。 针对以上问题，本文提出了一种新型转子位置检测的方法，以三相6拍运行的无刷直

无刷直流永磁电动机设计流程和实例

无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2

7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ

无刷直流电机工作原理详解

日期: 2014-05-28 / 作者: admin / 分类: 技术文章 1. 简介 本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如： 能获得更好的扭矩转速特性； 高速动态响应； 高效率； 长寿命； 低噪声； 高转速。 另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。 2. BLDC结构和基本工作原理 BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为 广泛的3相BLDC。 定子 BLDC定子是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了绕组，可以参见图。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。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每 个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。 BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图和图

(完整版)无刷直流电动机无传感器控制方法

无刷直流电动机无传感器低成本控制方法关键词：无刷直流电动机无位置传感器控制可编程逻辑器件 1引言 无刷直流电机的无传感器控制是近年来电机驱动领域 关注的一项技术。无位置传感器控制的关键在于获得可靠 的转子位置信号，即从软、硬件两个方面间接获得可靠的 转子位置信号来代替传统的位置传感器［1~3］。采用无传感 器控制 技术的无刷电机具有结构简单、体积小、可靠性高和可维 护性强等优点，使其在多个领域内得到了充分的利用［4］。 目前对于无传感器无刷电机的控制多采用单纯依靠 DSP软件控制的方法［5］，但 是由于控制算法计算量大，执行速度较慢，且DSP 成本较高，不利于以后向市场推广。同时也出现了应用于 无传感器BLDCM控制的一些专用的集成电路［6］，但由于 这些芯片可扩展性和通用性较 低，而且价格昂贵，只适用于低压、小功率领域。为了扩 展无传感器BLDCM应用领域，降低其控制系统的成本， 扩充控制系统的功能，增加控制系统的灵活性，本文以 MCU+PLD方式组成控制系统的核心，利用PLD数字逻 辑功能，分担MCU 的逻辑运算压力，使MCU和PLD的 功能都得到了最大程度的发挥。对于无位置传感器 BLDCM 控制系统，本文着重分析了换相控制策略和闭环调速，最 后通过仿真和实验，验证了控制系统的合理性和可行性。 2系统的总体硬件设计 本文中所设计系统是以8位PIC单片机和 PLD构成的硬件平台，硬件结构框图如图1所示。 功率逆变电路采用三相全桥逆变结构，电机定子绕组 为Y接法，电机工作模式为三相6状态方式。在本文无传 感器控制方式中采用反电动势过零位置检测方法，位置检 测电路根据电机端电压获取3路位置信号，将信号送入 PIC单片机进 行软件移相后得到3路换相信号，由可编程逻辑 器件进行逻辑解码后输出6路驱动开关管的前极 信号，通过驱动芯片IR2233产生驱动信号以控制 各开关管的导通与关断。该系统采用速度单闭环方式，通 过改变PWM的占空比以达到调速的目的。 本文中选用Microchip 公司的单片机PIC16F874作 为控制核心，它内部有8K的FLASH 程序存储器，368字 节的数据存储器（RAM），256字节的EEPROM数据存 储器，14个中断源， 8级深度的硬件堆栈，3个定时/计数器，两个捕 捉/比较/PWM （CCP）模块，10位多通道A/D转换器 等外围电路和硬件资源⑹。这些使得运用 PIC16F874在设计硬件电路时，控制电路大大简化，可靠 性提高，调试更加方便。 PIC16F874单片机的B端口的4~7 口具有电平变 化中断的功能，利用RB5~RB7作为反电动 势的过零点检测信号的输入，如已开RB 口中断， 一旦有过零点出现（发生电平的变化）就进入RB 口中断服 务。利用CCP模块输出占空比可调的信号，可实现直流 电机调速。 3控制方法 3.1软件相移补偿 由于采用脉宽调制技术进行调速，导致无刷电 机端电压波形中存在一定的高频调制分量，因此在反电势检 测中必须采用有源低通滤波电路以滤除高频分量，避免得到 图1系统总体结构硬件框图

A314444E3144E霍尔传感器霍尔元件

A3144 44E 3144E 霍尔传感器霍尔元件 A3144E霍尔元件44E OH44E 霍尔传感器霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。 产品特点 体积小、灵敏度高、响应速度快、温度性能好、精确度高、可靠性高 典型应用 无触点开关、汽车点火器、刹车电路、位置、转速检测与控制、安全报警装置、纺织控制系统 极限参数（25℃） 电源电压V CC··························24V 输出反向击穿电压V ce···················50V 输出低电平电流I OL···················50mA 工作环境温度T A··············E档: -20～85℃，L档: -40～150℃ 贮存温度范围T S ········-65～150 ℃

H41双极锁存霍尔开关电路 产品特点 . 电源电压范围宽 . 可用市售的小磁环来驱动 . 无可动部件、可靠性高 . 尺寸小 . 抗环境应力 . 可直接同双极和MOS逻辑电路接口 典型应用 . 高灵敏的无触点开关 . 直流无刷电机 . 直流无刷风机 . 无触点开关 AH41霍尔开关电路最适于响应变化斜率陡峭的磁场并在磁通密度较弱的场合使用，适用于单极或多对磁环工作，它由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。工作温度范围为-40 ～150℃（存储温度为150℃），可适用于各种机及机电一体化领域。 产品特点 . 电源电压范围宽 . 可用市售的小磁环来驱动 . 无可动部件、可靠性高 . 尺寸小 . 抗环境应力 . 可直接同双极和MOS逻辑电路接口 典型应用 . 高灵敏的无触点开关 . 直流无刷电机 . 直流无刷风机 . 无触点开关 电特性TA=-40℃～150℃ 参数符号测试条件量值单位

无刷直流电动机的发展现状

. .. 无刷直流电动机的发展现状 无刷直流电动机的发展现状：无刷电动机的诞生标志是1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可*、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。 无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。

无刷无霍尔直流电机

课程设计 学院电气学院 班级10自一 姓名胜梁建伟 学号10020514 10020515

目录 一、直流无刷无霍尔电机原理 (3) 二、总体设计方案 (4) 三、硬件电路 (4) 3.1 单片机系统 (4) 3.2电源模块 (5) 3.3 驱动电路 (6) 四、小结 (7) 附录Ⅰ实验程序 (8) 附录Ⅱ元器件清单 (12) 附录Ⅲ原理图 (14) 附录ⅣＰＣＢ图 (15)

一、直流无刷无霍尔电机原理 1）无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 2）无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。 3）电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机装有位置传感器。 4）驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 5）为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 6）无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。 7）为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁