無(wú)刷電機(jī)常用的位置檢測(cè)方法

上一篇文章我們講了一些無(wú)刷電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)原理等，我們知道了只需要按照轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，來(lái)按順序給定子線圈通電，就能讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

但是，上一篇中我們跳過(guò)了一個(gè)關(guān)鍵步驟，就是如何檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。本篇我們就講講常用的位置檢測(cè)方法，以及引出的一些相關(guān)問(wèn)題。

1)霍爾傳感器檢測(cè)位置驅(qū)動(dòng)

我們知道，獲取磁鐵的位置可以用霍爾傳感器，無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子就是永磁體，因此只要在合適的位置安裝霍爾傳感器，就能知道轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。

在無(wú)刷電機(jī)中，一般用3個(gè)開(kāi)關(guān)型霍爾器件就能檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置?；魻柕陌惭b位置可以相隔120°，也可以相隔60°，我們以下圖3N2P型電機(jī)，霍爾相隔120°的安裝方式為例：

a、b、c是三個(gè)霍爾傳感器。當(dāng)N極接近霍爾a時(shí)，a輸出高電平1;當(dāng)N遠(yuǎn)離a時(shí)，a輸出低電平。同理b、c也是一樣的特性。

因?yàn)?P的轉(zhuǎn)子是一對(duì)極，所以在轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，a、b、c霍爾的輸出波形就都會(huì)高低電平變化一次，如下圖所示：

例如，下圖中，轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置會(huì)使得霍爾輸出cba = 110：

這樣我們通過(guò)霍爾傳感器的輸出，可以確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，再結(jié)合上一篇講的方法，就可以使它轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。

如果我們想使用“二二導(dǎo)通”的方法讓它逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在圖中位置cba = 110，則應(yīng)該使得B線圈加正電壓C線圈加負(fù)電壓A懸空;這個(gè)加電狀態(tài)保持到N極轉(zhuǎn)到接近c(diǎn)位置時(shí)，霍爾輸出會(huì)自動(dòng)變?yōu)閏ba = 100，則我們的加電狀態(tài)應(yīng)該變?yōu)锳線圈加正電壓C線圈加負(fù)電壓B線圈懸空，才能讓轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

不難發(fā)現(xiàn)，三個(gè)霍爾的輸出在一個(gè)周期內(nèi)是6個(gè)狀態(tài)，正好對(duì)應(yīng)了“二二導(dǎo)通”法電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)對(duì)線圈通電的6個(gè)狀態(tài)。

于是，我們只需要用abc三個(gè)霍爾的輸出來(lái)控制ABC三個(gè)線圈的加電狀態(tài)，就能控制電機(jī)連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。

具體來(lái)說(shuō)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如下切換：

順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如下切換：

至此，有霍爾感的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，就可以用上述方法驅(qū)動(dòng)起來(lái)了。

關(guān)于有傳感器的位置檢測(cè)，還有許多其他方法，如編碼器、光電傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器等等。后續(xù)小白白會(huì)專門寫一篇文章講解。

2)無(wú)傳感器(檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì))驅(qū)動(dòng)

在一些微、小電機(jī)系統(tǒng)中，安裝位置傳感器對(duì)電機(jī)的體積和成本會(huì)有不利影響，因此，無(wú)傳感器的位置檢測(cè)技術(shù)也非常有實(shí)用價(jià)值。我們先來(lái)講解它的原理，再聊聊它的優(yōu)缺點(diǎn)。

我們以下面這張圖為例：

對(duì)比一下上節(jié)中有傳感器的驅(qū)動(dòng)方式，在這個(gè)位置，是B線圈加正電壓C線圈加負(fù)電壓A線圈懸空。

電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鐵在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，顯然在A線圈上會(huì)有產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。假如當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，S極先接近線圈A，然后從另一邊遠(yuǎn)離線圈A，在線圈A中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)有一個(gè)由正變?yōu)樨?fù)的過(guò)程(或者由負(fù)變正)，也即是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)有一個(gè)過(guò)零點(diǎn)。(注意一下，這里的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，是以三個(gè)線圈的中心連接點(diǎn)為參考點(diǎn)的)。

所以，我們可以在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)不加電的那一相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)得過(guò)零點(diǎn)，就能知道轉(zhuǎn)子的位置了。

檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)的方法有很多種，可以用比較器，如下圖的電路，是檢測(cè)其中一相的示例：

注意圖中的中點(diǎn)電壓，一般無(wú)刷電機(jī)是不會(huì)把中點(diǎn)引出來(lái)的，要通過(guò)其他方式獲取，可以用三相線串電阻后連到一起得到。下圖是一種經(jīng)典的獲取中心點(diǎn)電壓的方法，左邊是三相線上取的電壓，右邊輸出是中心點(diǎn)和三相過(guò)零的檢測(cè)點(diǎn)：

上圖中的電阻值可以依據(jù)供電調(diào)整，主要是分壓用的。

另外，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí)、以及用PWM控制時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生很多干擾，在過(guò)零比較時(shí)需要加入濾波電路，上圖中的電容就是一種簡(jiǎn)單的濾波方法，但是要注意，加電容濾波以后會(huì)造成電壓的相位滯后，所以電容值不能過(guò)大。如果是通過(guò)軟件采集后再判斷過(guò)零點(diǎn)，也可以通過(guò)軟件來(lái)濾波。

檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置，就可以據(jù)此進(jìn)行換向了，最佳換向位置是在過(guò)零點(diǎn)之后30°。那么如何知道轉(zhuǎn)過(guò)30°需要多長(zhǎng)時(shí)間呢?

通常的方法，是近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是均勻的，從上一次換相到本次過(guò)零的時(shí)間，就約等于本次過(guò)零到下次換相的時(shí)間。由此，我們只需要用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)時(shí)，就可以知道近似的30°的換向位置。

另一種更加簡(jiǎn)單直接的方法，是在檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)后，立即進(jìn)行換向，這種方法換向位置不是最佳的，會(huì)損失一些效率，但是設(shè)計(jì)起來(lái)最簡(jiǎn)單。

至此，無(wú)傳感器的位置檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)方法，我們已經(jīng)基本了解了。

但是，此時(shí)又出現(xiàn)了一個(gè)新問(wèn)題，在初始啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子還沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵和線圈沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈里是沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的，那該怎樣確定轉(zhuǎn)子的位置呢?我們看下一節(jié)，無(wú)傳感器電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題。

3)無(wú)傳感器的電機(jī)啟動(dòng)問(wèn)題

由于無(wú)傳感器的模式，需要靠感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置，所以電機(jī)剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，或者轉(zhuǎn)速很低時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小，是無(wú)法用來(lái)檢測(cè)位置的。所以無(wú)傳感器的無(wú)刷電機(jī)的啟動(dòng)是個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

一般的方法是采用三段法啟動(dòng)，即先預(yù)定位，再啟動(dòng)加速，最后進(jìn)入閉環(huán)控制。具體的實(shí)現(xiàn)方法如下：

a)預(yù)定位

就是先給某兩相通電一小會(huì)兒，讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置;這個(gè)通電時(shí)間、占空比需要依據(jù)不同的電機(jī)和負(fù)載情況確定;否則可能會(huì)由于長(zhǎng)時(shí)間在一個(gè)線圈上加電燒壞，或者時(shí)間太短不能預(yù)定位。

b)啟動(dòng)加速

就是依據(jù)所要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，依次給各相加電(換相);啟動(dòng)的過(guò)程，需要多次換相，并逐漸加速;同樣的，這個(gè)加速過(guò)程也與具體的電機(jī)和負(fù)載相關(guān)，需要測(cè)試來(lái)確定，換相頻率太低，電機(jī)加速慢，線圈也會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重;換相頻率太高，電機(jī)運(yùn)行起來(lái)容易失步，導(dǎo)致加速失敗。

常見(jiàn)的加速有三種方式：恒頻升壓法、恒壓升頻法、升頻升壓法，字面意思就可以理解，就不多解釋了;如某些航模電調(diào)，加速時(shí)，每次延時(shí)時(shí)間比上一次減少1/25，直到電機(jī)完全轉(zhuǎn)起來(lái)。

c)閉環(huán)控制

當(dāng)啟動(dòng)加速到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)及其過(guò)零點(diǎn)可以被穩(wěn)定的檢測(cè)到時(shí)，就可以切換到閉環(huán)控制狀態(tài)，也就是按上一節(jié)的控制邏輯進(jìn)行換相驅(qū)動(dòng)了。

由無(wú)感驅(qū)動(dòng)的方法可以看出，它的啟動(dòng)是比較復(fù)雜的，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小時(shí)也運(yùn)行困難，所以無(wú)感無(wú)刷電機(jī)不合適用在頻繁啟停、低速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，而比較適合用于體積、成本受限、運(yùn)行速度比較高的場(chǎng)合。

4)無(wú)刷電機(jī)的速度控制

通過(guò)上述講解，我們知道了，無(wú)論是有感還是無(wú)感無(wú)刷電機(jī)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是靠轉(zhuǎn)子的位置去確定下一時(shí)刻的通電狀態(tài)，而轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置的時(shí)間只與供電電壓相關(guān)，所以，無(wú)刷電機(jī)調(diào)速時(shí)，最簡(jiǎn)單得方法是調(diào)整供電電壓，或者使用PWM控制。

使用PWM控制時(shí)，常用的方法是在導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上下橋臂其中之一恒通、另一半用PWM控制，如下圖所示，左圖是下橋臂恒通上橋臂PWM控制的方式，右圖是上橋臂恒通下橋臂PWM控制的方式：

好了，到這里無(wú)刷電機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)就已經(jīng)講完了。