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怎样通过霍尔传感器去控制无刷直流电机呢

什么是直流电机？
有刷直流电机是怎样工作的？

无刷直流电机是怎样工作的？
怎样通过霍尔传感器去控制无刷直流电机呢？

回帖（1）

徐小婷

2021-9-17 17:02:34
电机分类

1. 直流电机
直流电机，就是用直流电驱动的电机，而交流电机则是用交流电来驱动的电机。
从性能来看，直流和交流的主要区别在于对速度的控制上。
直流电机的速度正比于电压，而交流电机的速度正比于频率及磁极数。
直流和交流都可以应用于伺服系统，但是交流电机可以承受更高的电流，所以工业应用中，常见的伺服电机是交流伺服电机。
所谓伺服，其实和电机的类型和结构没有关系，只要有反馈，形成闭环控制，就是伺服系统。这个反馈可以是基于位置，速度，扭矩等模式。而电机可以是任何类型的电机，比如步进电机，还有今天要说的直流有刷电机，直流无刷电机，以及交流伺服电机和感应电机，直驱电机等，都可以作为伺服电机，只要有反馈配置。
当然，更进一步，直流电机又可以分为有刷直流电机和无刷直流电机。
1.1 有刷直流电机
根据励磁方式的不同，直流有刷电机，又可以分为单独励磁直流电机，自励磁直流电机和永磁电机。
励磁就是定子线圈通电，产生吸引转子的磁场。
自励磁直流电机，根据绕线方式的不同，还可以继续分为：串联励磁电机，并联励磁电机和复合励磁电机（串联和并联）。


有刷直流电机的工作原理示意图如下图所示：

有刷直流电机（Brushed DC Motor），定子是用永磁铁或者线圈做成，以形成固定磁场。
在定子一端上有固定碳刷，或者铜刷，负责把外部电流引入转子线圈。
而转子是由线圈构成，线圈连接轴端的换相器（Commutator），外部电流通过碳刷和换相器，到达转子线圈。
当线圈通电，产生磁场，这个磁场被永磁铁吸引，促使转子转动，转过一定角度后，转子线圈通过机械换相器和碳刷改变电流方向，从而改变磁场方向，保证转子连续转动。
有刷电机使用机械换相器，优点是结构简单，价格低廉，可以提供较高的扭矩，缺点是容易磨损，无法用于洁净室，而且寿命有限，需要定期维护。
1.2 无刷直流电机
无刷直流电机的工作原理图如下图所示。

大多数无刷直流电机（Brushless DC Motor=BLDC），定子都是线圈组，而转子则是磁铁组。
所以不需要用刷子把电流引到定子上，这就是无刷的来历。
其运动原理也是磁场相吸，或者磁场互斥。
无刷直流电机和有刷直流电机的主要区别在于，无刷电机电流的大小和方向是直接通过控制器来改变的。
通常，定子有三组绕线，和控制威廉希尔官方网站 相连，控制威廉希尔官方网站 通过霍尔传感器得知转轴的位置，以此来判断接下来哪几相需要通电。
控制系统不停地改变通电相，并改变电流大小，来实现不同扭矩的控制。
正因为无刷电机是通过电子换相，所以可靠性更高，运行更安静，效率也更高。
通常无刷电机可以做得很小，并且拥有高扭矩重量比，当然，因为需要使用传感器和控制器，成本也随之升高。
1.2.1 通过霍尔传感器控制无刷直流电机
下图为无刷直流电机简化的结构示意图，端面上有三个霍尔传感器（Hall Sensor），转子转动，形成变化的磁场，传感器感应这个磁场，每个传感器可以输出0或者1，所以3个传感器可以输出110，101等3位数的不同组合，这些组合代表转子的不同位置。注意3号霍尔传感器在1号和2号之间。

其中，转子是用永磁铁做成，转子转动，3个霍尔传感器被触发或者断开，感应转子的位置，然后把位置信息告诉控制器，控制器以此来决定下一步哪些线圈通电，哪些不通电，简言之就是实现电子换相（Electrical Commutation）。
所以，这里的霍尔传感器起到沟通的作用，而这一点在有刷直流电机中，是用物理碳刷和机械换相器相互配合才得以实现。
那么，让我们再具体一点，来看看三个霍尔传感器是如何感应转子的位置，然后告诉电机换相并实现连续旋转的。
下图为三相霍尔传感器式伺服电机。

如上图，一个磁极可以同时覆盖两个霍尔传感器，图中时刻，1号霍尔对准S极，而2号和3号霍尔对准N极，如果S极触发霍尔，N极熄灭霍尔，那么上图霍尔状态可以表示100位置。
我们再来看看更细节的情况，如下图，电机顺时针转动，其中转子上S极附近有个小黑点，用来表示转子的转动方向。

驱动器一次给两组线圈通电，另一组线圈不通电。
按照惯例，电流流入的线圈在定子上产生北极磁场N，电流流出的线圈则在定子上产生南极磁场S。
现在，想要实现顺时针旋转，如何使用霍尔状态，来切换线圈通电次序和通电方向？
举例说明吧，比如霍尔感应是100状态，也就是上面的第一张图时，那么这个时候告诉驱动器接通AB相，且电流从B相流入，A相流出。这样B线圈组形成N极，A线圈组形成S极。线圈N极和与其正对的转子N极相互排斥，并且吸引和它较近的转子S极，而线圈S极，则吸引转子N极，实现顺时针转动。
同理，可以推导其他霍尔状态时，线圈应该如何通电。
最后就形成如上图所示的6个霍尔状态，以及在此状态下线圈应该从哪个线圈流入，从哪个线圈流出的顺序图。
上面这个图理解起来有点儿复杂。
如果把霍尔时序和绕组通电顺序及方向，画在一张图上，就是下面这幅图，这个理解起来要轻松一点。
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