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摘要：直流无刷电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流，而霍尔元件传感器以其优良的特性及很小的体积在直流无刷电动机控制系统中获得了广泛的应用。
关键词：无刷直流电动机；霍尔效应；霍尔位置传感器
电动机由于其优越性能，一直应用在工矿企业和人们日常生活的各个方面。而传统直流电动机的电刷使用机械换向，有机械摩擦，会造成噪音、火花、无线电干扰和寿命短等一系列缺点，再由于制造成本高，维护困难，所以限制了直流电动机的应用。针对传统直流电动机的这一缺点，人们一直研究如何替代原始的机械换向，从而采用电子换向的直流电动机。经过几十年的发展历程，现代科技尤其是电力电子行业得到了突破性的发展，产生了大量更高性能的元器件，如永磁材料、IGBT等，这些都为直流无刷电动机的快速发展创造了良好的条件。
1直流无刷电动机的简述
1.1直流无刷电动机的控制结构及原理
直流无刷电机属于同步电机的一种，在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。在转子极数固定的情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。因此，直流无刷电机是将同步电机加上电子控制驱动器，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，以达到接近直流电机特性的方式，使直流无刷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。
而直流无刷驱动器包括电源部分及控制部分。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则根据需求转换输入电源频率。电源部分直接以直流电（24V）输入或以交流电（110V/220V）输入，若输入以交流电就需要先经过转换器转成直流电。而直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前都需要先将直流电压由换流器转成三相电压来驱动电机。换流器则由6个功率晶体管分为3个上臂（Q1、Q3、Q5）以及3个下臂（Q2、Q4、Q6）连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供脉冲宽度调制决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。直流无刷电机一般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，电机内部必须装有能感应磁场的霍尔传感器，作为速度闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。
电机转动首先控制部分需要根据霍尔传感器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）换流器中功率晶体管的顺序，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，使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器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），而让电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
1.2直流无刷电动机的运行特性
直流无刷电动机的运行特性可以简单描述为以下几个方面：
①恒定的功率晶体管电压降；
②可忽略控制电路的功耗；
③电动机的气隙磁感应强度按正弦规律沿气隙分布；
④每相绕组对称并且绕组与相应的电路一致，其对应的电气时间常数可以忽略不计；
⑤绕组通电时，可以忽略产生磁通的电流对气隙的影响。
2直流无刷电动机转子位置传感器特性
直流无刷电动机转子位置传感器的基本作用是测定转子磁极的位置，从而为逻辑开关电路提供精确的换相信息。位置传感器将转子磁极位置信号转换为电信号，
从而对定子绕组的换相进行控制。目前为止有许多类型的位置传感器，它们都有各自的特点。直流无刷电动机常用的位置传感器有以下几类：磁敏式位置接近传感器、光电位置传感器、电磁位置传感器等。这其中磁敏式位置接近传感器由于拥有易于集成、结构组成简单，占地小，安装操作简单易懂等优势，所以目前的使用率最高。转子位置传感器是直流无刷电动机最重要部件之一，它装在电动机 轴上，和直流电动机中的电刷的作用相似，决定着电枢各相绕组什么时间开始通 电。普通直流电动机通过改变电刷的位置，而在直流无刷电动机中是通过改变转子位置传感器发生信号的相位。因此转子位置传感器对直流无刷电动机的特性影响非常大。
转子位置传感器的基本结构通常包括一个位置信号形成器和一个探测元件，其中位置信号形成器随电动机转子一起转动，探测原件一般是静止不动的。假如位置传感器由霍尔元件构成，那么探测元件就是霍尔元件，而位置信号形成器就是电动机转子磁极本身。而电磁感应式、按键开关式和光电式等其他类型的转子位置传感器，位置信号形成器一般是一个带缺口的圆盘。
2.1霍尔传感器的分类
经过研究发现，半导体也存在霍尔效应，并且半导体的霍尔系数比较大，所以半导体的霍尔电动势比导体的更加明显。霍尔传感器常见的可分为线性型霍 尔传感器和开关型霍尔传感器两种，其异同点主要表现为以下几个方面：
①组成部分开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器 和输出级组成；线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成。
②输出线性型霍尔传感器输出为模拟量至电压；开关型霍尔传感器输出为数字量至开关信号。
③输入线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器的输入都是变化的磁感应强度。
④功能作用线性型霍尔传感器的作用为测量各种电压、电流、磁场等；开关型霍尔传感器的作用为由斯密特触发器的翻转从而完成开关动作。
霍尔位置传感器的连接原理如图1所示：
图1霍尔位置传感器连接原理
2.2霍尔位置传感器的优缺点
2.2.1霍尔位置传感器具有普通传感器无法比拟的两个优点：
①霍尔位置传感器有非常好的电气隔离作用，可以如实的反应原、副边的形态；
②霍尔位置传感器可以测量任意的电量参数；
③霍尔位置传感器较其他类型的传感器，它的测量精度高、线性度好、带宽大、测量范围广。
2.2.2霍尔位置传感器在实际应用中一定要满足以下两个条件：
①霍尔位置传感器的每个开关状态具有相同的电角度，但开关状态在每个电周期内不重复；
②霍尔位置传感器的开关状态数和电动机的工作状态数要相互对应。只有满足了上述的相互对应关系，才能实现电动机的换相状态与霍尔位置传感器的开关状态 相对应，从而可以实现电动机的换相。
3总结
随着科技技术不断革新，直流无刷电动机已经从传统的机械换向装置转换成电子换向装置，这种装置革新转换使得直流无刷电动机具有更优越的优势。例如：动态特性优良，工况效率高，使用寿命长，噪音更低，转速范围宽，易于制造等。直流无刷电动机比传统电机性能提高了6倍左右，这使得直流无刷电动机在国内各行业的应用有更广泛的前景。
参考文献：
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[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，2004．
[3]许鹏，曹建波，曹秉刚．无位置传感器直流无刷电机软件起动[J]．电机与控制学报，2009，13(5)．
论文作者:邓伟东
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/20
标签：霍尔论文; 传感器论文; 位置论文; 转子论文; 电动机论文; 电机论文; 直流电动机论文; 《基层建设》2017年第9期论文;