直流無刷電機原理

三相無刷直流電機常採用兩兩導通的方式工作，兩兩導通指任意時刻逆變器只有2只開關管開通。無刷直流電機需要根據轉子位置來切換工作狀態，也就是說換相點是無刷直流電機正常工作必不可少的資訊。圖1為三相無刷直流電機換相點示意圖，為便於理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對於三相無刷直流電機，每個電週期內有6個不同的換相點，也就是說每個電週期內電機換相6次。

霍耳感測器常用來檢測無刷直流電機換相點。三相無刷直流電機需要3 個霍耳感測器來檢

測6 個不同的位置，霍耳感測器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個霍耳感測

器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個霍耳感測器互差60° （電角度），2 種安裝方法對應霍耳感測

器的輸出訊號如圖2 所示，圖2 中霍耳訊號跳變的位置就是換相點。2 種安裝方式最大的區別在於採用60 ° 安裝時可以輸出“000”和“111”訊號，而120° 安裝則不會輸出這2 個訊號，透過這一點可以判斷霍耳感測器的安裝方式。

不管採用哪種安裝方式，輸出的霍耳訊號將每個電週期分為6 個區域，當轉子轉到某個區域時，特定的繞組通電，無刷直流電機即可正常執行，若霍耳訊號與繞組關係不準確，電機將無法工作，甚至會造成電機或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機霍耳訊號與繞組關係自學習方法。

三相直流無刷電機轉矩可以由下式來計算；

T =eaia + ebib + ecicω式中：ea ，eb ，ec 為三相相反電勢；ia ，ib ，ic 為三相相電流；ω 為電機角速度。空載時，在電機繞組中通以固定電流，電機轉子將轉到某一位置並停止，此時電機產生的轉矩零圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳感測器將電週期分成的6 個區域，當兩兩導通時，通電的兩相繞組電流大小相等，方相反，電機轉矩為零的點分佈在各個區域的邊界上；當採用三三導通時，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那麼其它兩相電流為－I/2，此時電機轉矩為零的點分佈在各個區域的中間位置，如圖3 所示。透過以上分析可以知道，要使轉子轉到某一個區域，採用三三導通的方法要比兩兩導通的方法更加合理。

在某一個特定的區域，正常工作時需要通電的直流無刷電機繞組是一定的，如圖3 中的區域Ⅰ，兩兩導通時需A 相和B相繞組通電，要想產生正轉矩，A 相繞組應通正電流，B 相繞組應通負電流，記為“A+B-”，要產生負轉矩則“B+A-”，其它區域內直流無刷電機繞組通電的情況如表1 所示。如果電機採用三三導通方式工作，可以根據反電勢很容易地得出繞組通電情況，這裡就不再列舉。

直流無刷電機中的霍爾元件是用來檢測轉子位置的。

直流無刷電機相比直流有刷電機最大的不同是將電機的換向器換成了電子開關。這樣一來，就需要感測器來檢測轉子的位置，以保證在合適的時刻切換流過線圈的電流方向，使電機能夠連續旋轉。

除了透過霍爾感測器檢測直流無刷電機轉子位置的方法之外，還有一些應用場合場合透過檢測反電動勢的方法來指導換向。由於在電機啟動之前沒有反電動勢產生，啟動階段會出現一些不穩定過程，所以這種檢測方法適合應用在電機不需要頻繁啟停的場合，比如在航模無刷電機的控制上用的很多。

此外，也有一些雲臺在無刷電機上設定3個呈120度分佈的霍爾感測器來檢測各軸角度的。這些雲臺通常使用無刷電機向量控制技術來驅動電機，控制演算法要複雜很多。

直流電機控制板裡面的霍爾感測器是用來檢測電機的轉動速度用的。在有些應用的場合，需要對電機進行調速，要保證電機在某個速度下面保持不變，所以就要加一個檢測速度的感測器進行反饋，主控板根據檢測的速度值來輸出不同的控制脈衝訊號，最終達到快速調整電機轉速的目的。也叫做霍爾編碼器。

從編碼器檢測原理上來分，還可以分為光學式、磁式、感應式、電容式。常見的是光電編碼器和霍爾編碼器。光電編碼器是屬於光學式編碼器，而霍爾編碼器則屬於磁式編碼器。

1、光電編碼器的原理解析

光電編碼器是一種透過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換為脈衝數字量的感測器。由光電碼盤和光電檢測裝置組成。光電碼盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形的小孔。由於光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，檢測裝置檢測輸出對應的脈衝訊號，一般輸出A,B兩路具有一定相位差的方波訊號，透過兩路輸出訊號，可判斷電機的轉動方向。

2、霍爾編碼器的原理解析

霍爾編碼器則是一種透過磁電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈衝或數字量的感測器。霍爾編碼器由霍爾碼盤和霍爾感測器組成。霍爾碼盤在一定直徑的圓板上等分地佈置有不同的磁極。霍爾碼盤與電機同軸，電機旋轉時，霍爾元件檢測輸出對應的脈衝訊號，一般輸出A,B兩路具有一定相位差的方波訊號，透過兩路輸出訊號，可判斷電機的轉動方向。

兩種編碼器的檢測原理是一樣的，都是透過輸出A,B相的方波訊號來檢測。只不過光電式的編碼器精度要比霍爾式編碼器的精度高許多。

簡單的檢測原理示意圖：

計算電機的轉速都是透過檢測輸出脈衝的個數來進行計算的。其大概原理是：比如一個500線的電機（轉一圈會輸出500個脈衝），只要透過微控制器定時器設定一個固定的檢測時間，假如定時1S的時間，然後透過微控制器的外部中斷或者輸入捕獲等方式獲得1S鍾內的脈衝個數，假如1S內檢測到1000個高電平（1000個脈衝），那麼就代表了電機剛好轉過兩圈，這時就可以根據輪子的直徑來算出其對應的轉速了。

為了提高檢測精度，你還可以透過同時檢測AB相兩路輸出的高低電平，具體和檢測一路的原理類似。

總結：在電機加裝一個霍爾感測器無非就是為了測定電機的轉速來使用的，一般感測器可以給控制器提供一個反饋的訊號，根據反饋訊號就可以進行訊號的調製，形成一個閉環控制方式。