原创 三相全波无刷电机的两种位置检测方法

位置检测的方法主要有两种。一种是使用传感器的方法，这种方法需要使用霍尔元件的电压。虽然在上一篇文章中用来说明旋转原理的图中没有直接解释，但是标出了H1、H2和H3霍尔元件（传感器）。另一种是检测各线圈的感应电压的方法，由于这种方法不使用传感器而被称为“无传感器方法”。

使用霍尔元件（传感器）检测旋转的永磁体位置时，将霍尔元件的安装位置设置在线圈和线圈之间的中点，即1/2角度对应的点（参见右图）

假设线圈3与线圈1之间的霍尔元件为H1，线圈1与线圈2之间的霍尔元件为H2，线圈2与线圈3之间的霍尔元件为H3，则顺时针方向旋转的电流波形与霍尔元件的信号波形对比如下（中段波形）。

在这个示例中，当对霍尔元件施加N极磁场时产生正（+）电压，当施加S极磁场时产生负（-）电压，并且磁场的强度根据永磁体的旋转位置以正弦波变化（波形图下半部分“霍尔元件电压波形”）。各相的输出电流波形为梯形波（波形图上半部分“电流波形”）。波形图时间轴上的①～⑥的点与上一篇中用来说明“旋转原理”的图中的①～⑥相对应。该图也会在下一节“使用感应电压进行位置检测（无传感器）”中使用。

驱动时，由根据转子位置而变化的霍尔元件输出信号波形合成输出电流波形。合成是由H1电压波形减去H2电压波形，H2电压波形减去H3电压波形，H3电压波形减去H1电压波形。通过这些运算，可以获得相位比H1、H2和H3提前30°的正弦波形（M1、M2、M3）。只要基于这些信号生成输出电流，即可创建用于驱动具有所需相位的电机的电流波形。

要合成用于反转的输出电流信号时，需要从H2中减去H1，从H3中减去H2，从H1中减去H3。也就是说，基于M1＝H2－H1、M2＝H3－H2、M3＝H1－H3，根据M1、M2和M3的组合波形的相位提供输出电流，即可实现反转。

这是不需要传感器（霍尔元件）的方法，使用的是线圈中产生的感应电压。在三相全波无刷电机中，永磁体相对于线圈旋转，N极和S极交替变化，所以线圈的磁通密度发生变化，线圈自身发电并产生感应电压。当磁极N在线圈端时，进入线圈方向的磁通密度最高；当磁极S在线圈端时，从线圈出来的方向的磁通密度最高。然而，当永磁体的磁化波形为正弦波状时，磁通密度的变化在N极和S极之间的中点处最大。
 

上图与上一篇“旋转原理”中使用的图片相同，三相全波无刷电机①～⑥的状态对应于下面波形图中的时间轴①～⑥。

下面对三相全波无刷电机①～⑥的状态与感应电压波形之间的关系进行说明。

• ①：线圈1位于S极和N极之间的中点，由于S极产生的磁通从线圈外侧出来的工作变为N极产生的磁通进入线圈的工作，因此磁通密度的变化最大。所以线圈1的感应电压相对于线圈中点是正电压，且最大。
• ②：由于磁通密度的变化比之前略小，因此线圈1的感应电压降低。
• ③：由于通往线圈1的磁通密度的变化进一步变小，因此感应电压也进一步降低。
• ④：由于N极在线圈端，磁通密度的变化变为零，所以线圈1的感应电压变为零。
• ⑤：由于N极逐渐远离线圈1，进入线圈的磁通量逐渐减少，因此感应电压变为负值，磁通量变化小，故感应电压略有下降。
• ⑥：由于通往线圈1的磁通密度的变化进一步变小，因此感应电压也进一步降低。

同样，线圈2和线圈3在从S极切换到N极的中点产生最高的正感应电压，在从N极切换到S极的中点产生最高的负感应电压，当N极和S极位于线圈端时，感应电压变为零。

另外，如波形图所示，各线圈的感应电压波形与其驱动电流波形的相位相同。

通过检测感应电压的零点并合成输出电流波形，可以将感应电压用作转子的位置检测信号，使电机旋转，因此无需使用位置检测用的霍尔元件即可进行控制。

来源：techclass.rohm