無刷電機常用的位置檢測方法

上一篇文章我們講了一些無刷電機的基礎知識，包括無刷電機的內部結構，驅動原理等，我們知道了只需要按照轉子的當前位置，來按順序給定子線圈通電，就能讓電機轉動起來。

但是，上一篇中我們跳過了一個關鍵步驟，就是如何檢測轉子的位置。本篇我們就講講常用的位置檢測方法，以及引出的一些相關問題。

1)霍爾傳感器檢測位置驅動

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

在無刷電機中，一般用3個開關型霍爾器件就能檢測轉子的位置?；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，霍爾相隔120°的安裝方式為例：

a、b、c是三個霍爾傳感器。當N極接近霍爾a時，a輸出高電平1;當N遠離a時，a輸出低電平。同理b、c也是一樣的特性。

因為2P的轉子是一對極，所以在轉子逆時針轉動一周時，a、b、c霍爾的輸出波形就都會高低電平變化一次，如下圖所示：

例如，下圖中，轉子當前的位置會使得霍爾輸出cba = 110：

這樣我們通過霍爾傳感器的輸出，可以確定轉子的當前位置，再結合上一篇講的方法，就可以使它轉動起來了。

如果我們想使用“二二導通”的方法讓它逆時針轉動，在圖中位置cba = 110，則應該使得B線圈加正電壓C線圈加負電壓A懸空;這個加電狀態保持到N極轉到接近c位置時，霍爾輸出會自動變為cba = 100，則我們的加電狀態應該變為A線圈加正電壓C線圈加負電壓B線圈懸空，才能讓轉子繼續逆時針轉動。

不難發現，三個霍爾的輸出在一個周期內是6個狀態，正好對應了“二二導通”法電機轉動一圈時對線圈通電的6個狀態。

于是，我們只需要用abc三個霍爾的輸出來控制ABC三個線圈的加電狀態，就能控制電機連續地轉動起來了。

具體來說，逆時針轉動時，如下切換：

順時針轉動時，如下切換：

至此，有霍爾感的無刷電機驅動，就可以用上述方法驅動起來了。

關于有傳感器的位置檢測，還有許多其他方法，如編碼器、光電傳感器、旋轉變壓器等等。后續小白白會專門寫一篇文章講解。

2)無傳感器(檢測反電動勢)驅動

在一些微、小電機系統中，安裝位置傳感器對電機的體積和成本會有不利影響，因此，無傳感器的位置檢測技術也非常有實用價值。我們先來講解它的原理，再聊聊它的優缺點。

我們以下面這張圖為例：

對比一下上節中有傳感器的驅動方式，在這個位置，是B線圈加正電壓C線圈加負電壓A線圈懸空。

電機的轉子磁鐵在轉動時，顯然在A線圈上會有產生一個感應電動勢。假如當轉子磁鐵轉動時，S極先接近線圈A，然后從另一邊遠離線圈A，在線圈A中產生的感應電動勢就會有一個由正變為負的過程(或者由負變正)，也即是感應電動勢會有一個過零點。(注意一下，這里的感應電動勢過零點，是以三個線圈的中心連接點為參考點的)。

所以，我們可以在電機轉動時，檢測不加電的那一相的感應電動勢得過零點，就能知道轉子的位置了。

檢測過零點的方法有很多種，可以用比較器，如下圖的電路，是檢測其中一相的示例：

注意圖中的中點電壓，一般無刷電機是不會把中點引出來的，要通過其他方式獲取，可以用三相線串電阻后連到一起得到。下圖是一種經典的獲取中心點電壓的方法，左邊是三相線上取的電壓，右邊輸出是中心點和三相過零的檢測點：

上圖中的電阻值可以依據供電調整，主要是分壓用的。

另外，電機轉動起來時、以及用PWM控制時，都會產生很多干擾，在過零比較時需要加入濾波電路，上圖中的電容就是一種簡單的濾波方法，但是要注意，加電容濾波以后會造成電壓的相位滯后，所以電容值不能過大。如果是通過軟件采集后再判斷過零點，也可以通過軟件來濾波。

檢測到轉子的位置，就可以據此進行換向了，最佳換向位置是在過零點之后30°。那么如何知道轉過30°需要多長時間呢?

通常的方法，是近似認為轉子的轉速是均勻的，從上一次換相到本次過零的時間，就約等于本次過零到下次換相的時間。由此，我們只需要用單片機進行計時，就可以知道近似的30°的換向位置。

另一種更加簡單直接的方法，是在檢測到過零點后，立即進行換向，這種方法換向位置不是最佳的，會損失一些效率，但是設計起來最簡單。

至此，無傳感器的位置檢測和驅動方法，我們已經基本了解了。

但是，此時又出現了一個新問題，在初始啟動、轉子還沒有轉動時，磁鐵和線圈沒有相對運動，線圈里是沒有感應電動勢產生的，那該怎樣確定轉子的位置呢?我們看下一節，無傳感器電機的啟動問題。

3)無傳感器的電機啟動問題

由于無傳感器的模式，需要靠感應電動勢來判斷轉子的位置，所以電機剛開始啟動時，或者轉速很低時，感應電動勢很小，是無法用來檢測位置的。所以無傳感器的無刷電機的啟動是個難點問題。

一般的方法是采用三段法啟動，即先預定位，再啟動加速，最后進入閉環控制。具體的實現方法如下：

a)預定位

就是先給某兩相通電一小會兒，讓轉子轉到預定的位置;這個通電時間、占空比需要依據不同的電機和負載情況確定;否則可能會由于長時間在一個線圈上加電燒壞，或者時間太短不能預定位。

b)啟動加速

就是依據所要轉動的方向，依次給各相加電(換相);啟動的過程，需要多次換相，并逐漸加速;同樣的，這個加速過程也與具體的電機和負載相關，需要測試來確定，換相頻率太低，電機加速慢，線圈也會發熱嚴重;換相頻率太高，電機運行起來容易失步，導致加速失敗。

常見的加速有三種方式：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，加速時，每次延時時間比上一次減少1/25，直到電機完全轉起來。

c)閉環控制

當啟動加速到一定轉速時，反電動勢及其過零點可以被穩定的檢測到時，就可以切換到閉環控制狀態，也就是按上一節的控制邏輯進行換相驅動了。

由無感驅動的方法可以看出，它的啟動是比較復雜的，在低速運轉時感應電動勢較小時也運行困難，所以無感無刷電機不合適用在頻繁啟停、低速運轉的場合，而比較適合用于體積、成本受限、運行速度比較高的場合。

4)無刷電機的速度控制

通過上述講解，我們知道了，無論是有感還是無感無刷電機，在轉動時，是靠轉子的位置去確定下一時刻的通電狀態，而轉到下一個位置的時間只與供電電壓相關，所以，無刷電機調速時，最簡單得方法是調整供電電壓，或者使用PWM控制。

使用PWM控制時，常用的方法是在導通區間內，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，到這里無刷電機的相關基礎知識就已經講完了。