[FAQ] 哪些霍尔效应传感器用于无刷直流电机换向

如图 1 和图 2 所示，要注入电流的相应线圈和注入电流的极性取决于磁体的当前位置。BLDC 换向的工作原理是：首先确定转子的位置，然后根据该转子的位置施加磁场，从而使转子按所需方向旋转。确定转子位置的方法有两种。第一种方法使用位置传感器。第二种方法是无传感器方法，即根据反电动势 (EMF)（电机在旋转时产生的电压）确定位置。电机生成的反电动势波形的振幅与电机速度成正比。

有传感器换向包括以下优势：

• 由于电机生成的反电动势波形的振幅与电机速度成正比，因此在低速时不能使用无传感器换向方案，这是因为反电动势太小而无法测量以确定转子位置。如果系统在零速度下需要较大的扭矩，则需要使用有传感器换向。
• 在很高的电机速度下，使用反电动势时很难发生转换。如果电机以很高的速度转动，使用有传感器换向来缓解此问题。
• 有传感器换向相对简单，不需要像无传感器换向那样的复杂计算。

对于有传感器换向，可以使用霍尔位置传感器、编码器或旋转变压器。在这些器件中，霍尔位置传感器因其成本相对较低而广泛使用。在不同类型的霍尔位置传感器中，霍尔锁存器用于提供简单的六步换向法。使用这些霍尔锁存器时，需要南北极交替来切换器件的输出，如图 3 所示。

图 3：霍尔锁存器的输出

对于图 3 中所示的锁存器，只有当器件检测到磁体南极且感应到的磁通密度大于磁通密度工作点（在图中用 B_OP 表示）时，输出才会被置为低电平。在器件检测到磁体北极且感应到的磁通密度大于锁存器的磁通密度释放点（在图中用 B_RP 表示）前，输出将保持低电平状态。在没有磁输入的情况下，锁存器的最后一个状态为有效。

图 4 显示了使用三个霍尔锁存器的有传感器六步电机换向控制方案的输出波形。在此方案中，一次仅驱动两个相位，第三个相位处于高阻态。在图中，数字表示换向步骤。具体而言，步骤 1 与图 1 中所示的状态对应，步骤 2 与图 2 中所示的状态相对应。图 4 中的霍尔 A、霍尔 B 和霍尔 C 波形对应于不同换向步骤中霍尔锁存器的输出。相位 U、相位 V 和相位 W 波形表示要应用到相位的波形，以便磁体移动到下一个换向步骤。在图 4 中，“+”表示注入电流以便将南极施加到相位，“-”表示注入反向电流以便将北极施加到相位，而“Z”是指处于高阻态的相位。该图显示了六个独立的霍尔状态，其中每个状态对应一个不同的选项，用于驱动相位以保持电机旋转。因此，霍尔状态可提供有关如何驱动相位以保持电机旋转的信息，其中霍尔传感器的状态可用作软件查找表的索引，用于获取有关如何根据转子当前位置驱动不同相位的信息。

图 4：六步电机换向控制方案

前面的示例使用 BLDC 电机的简化模型。通常，BLDC 电机具有的磁极和线圈比图中显示的要多。使用的线圈和转子磁极越多，越能有效控制磁体。磁体可使用多个相邻的条形磁体，其中相邻磁体的极性彼此相反。使用的磁体越多，霍尔传感器在给定时间内的状态转换次数也越多，从而减少霍尔传感器完成状态周期所需的转子旋转角度。

应放置三个霍尔位置传感器，使其各自输出的角度差 120°。该角度称为电角，它可能与各器件机械放置的实际角度不同。从电机轴的中心，每个传感器间距的度数（机械角）可设置为 2/[极数] × 120°，以产生所需的 120 度电角。

在图 1 和图 2 的简化双极示例中，机械角和电角相等。但是，对于磁极数较多的系统，由于磁极数增加，电角和机械角不相等，从而缩短了霍尔输出状态的周期时间。为了说明这一点，假设系统中有 12 个磁极（6 个北极和 6 个南极）。为了使 12 磁极系统中的霍尔锁存器之间实现 120 度电气隔离，可以放置霍尔位置传感器，使其之间的机械角为 ±20 度。

BLDC电机系统架构