芝识课堂—解构无刷电机（下）

最新更新时间：2024-10-24

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上一期的芝识课堂，我们跟大家一起分析了无刷电机的四个功能单元，并详细分析了PWM和逆变器单元的工作情况，今天我们继续来熟悉无刷电机工作流程中另外两个重要的部分——转子位置检测和波形驱动。

转子位置检测是电机控制和驱动过程中不可或缺的一环，是实现电机精确控制和稳定运转的关键，特别是对于需要高精度控制的电机系统，转子位置检测的精度和速度都至关重要。常用的无刷电机转子位置检测有两种方式，即霍尔传感器检测和无传感器检测。

传感器原理

霍尔传感器的原理是检测磁场并输出与其大小成比例的模拟信号。霍尔传感器的输出通过比较器转换为开关数字信号，然后作为无刷电机的转子位置信号。采用高精度、昂贵的编码器和解析器来检测伺服电机的位置，以实现精确的位置控制。对于2极电机，通过在定子面对转子磁极的位置上，以120度的间隔布置三个霍尔传感器，从而达到每60度检测一次转子位置的目的，如图1所示，霍尔传感器不需要接触就能检测位置，所以具有很高的耐用性，但它对高温敏感，所以并不适用于所有环境。

图1 霍尔传感器转子位置检测示意

由于超小型电机没有空间用于安装传感器，或者对于追求性价比的电机来说，传感器价格过于昂贵，因此转子位置可以通过感应电压来检测。此种情况采集通过转子旋转产生的电动势（感应电压）波形来确定位置。目前只有方波驱动可以通过感应电压检测转子位置。U相、V相、W相中的一组线圈始终处于关闭状态。通过检测无激励相线的电机驱动波形的幅度在变为1/2的点，转子位置可以每60度指定一次，具体参考图2所示的流程。值得注意的是，在停止状态下，这种方法存在弊端。由于没有产生电动势，所以无法检测到位置。

图2 通过感应电压进行转子位置检测的详细示意

感应电压只适合方波驱动情况，方波驱动作为最简单的驱动方法，根据转子的旋转角度，切换功率元件的开关状态，然后改变定子线圈的电流方向，使转子旋转。转子转动一次，电流方向就会切换6次。电机驱动采用逆变电路，通过PWM控制电压，如图3所示。该方法与直流有刷电机的驱动原理相同，它是无传感器电机使用最广泛的驱动方法。

图3 方波驱动的位置信息与工作状态示意

与之对应的就是正弦波驱动，根据转子的旋转角度，以正弦的形式连续改变定子线圈的电压，从而使转子旋转。根据频率的不同，电机的3相会有一定的“延迟”。控制时，需要检测转子位置。通常，使用三个位置传感器每隔60度检测一次位置，实时估算转子位置，并输出与转子位置相符的正弦波电压。采用逆变电路驱动电机，通过PWM控制实现电压的连续变化。与方波驱动相比，它的效率更高，产生的振动和噪音更小。

我们通过图4来举例展示方波驱动的过程，如果正弦波为1 Hz，那么“播放”这个正弦波需要一秒钟。如果第二波偏移120度，那么该第二波将在第一波之后0.33秒正好开始，也就是完整时间的三分之一。第三波将再次开始偏移120度，即第一波开始后0.66秒。这是为了适时控制直流无刷电机的U、V、W相。根据3相的时间顺序，电机将顺时针或逆时针旋转。