劉　偉

(1.安徽淮北煤電技師學(xué)院 教務(wù)處，安徽 淮北　235000；2.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，安徽 淮北　235000)

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霍爾位置傳感器在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉偉1,2

(1.安徽淮北煤電技師學(xué)院 教務(wù)處，安徽 淮北235000；2.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，安徽 淮北235000)

摘要：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是指具有直流電機(jī)外部特性的電子換相電動(dòng)機(jī),位置傳感器電動(dòng)機(jī)是其最基本的一種形式,霍爾元件傳感器以其優(yōu)良的特性及很小的體積在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；霍爾效應(yīng)；霍爾位置傳感器

0序言

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。它既具有交流電動(dòng)機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，如：組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠性高、操作維修容易等；又具有使用效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗、良好的調(diào)速性能等直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。所以,目前直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。

最近100多年以來(lái)，電動(dòng)機(jī)由于其具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用在工礦企業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的電刷使用機(jī)械換向，有機(jī)械摩擦，會(huì)造成噪音、火花、無(wú)線電干擾和壽命短等一系列缺點(diǎn)，再由于制造成本高，維護(hù)困難，所以限制了直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。

針對(duì)傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的這一缺點(diǎn)，1930年左右，人們就開始研究如何替代原始的機(jī)械換向，從而采用電子換向的直流電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展歷程，在1960年左右終于實(shí)現(xiàn)這一替代。從1970年開始，現(xiàn)代科技尤其是電力電子行業(yè)得到了突破性的發(fā)展，產(chǎn)生了大量更高性能的元器件，如永磁材料、MOSFET、GTR、IPM、IGBT等，這些都為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。[1]99

1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的概況

1.1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)由兩大部分組成，即：同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，是機(jī)電一體化集成的顯著應(yīng)用。同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組一般為具有多相的定子繞組，采用和三相異步電動(dòng)機(jī)相同的三相對(duì)稱星形接法。電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器用來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁材料。

1.2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可以簡(jiǎn)單描述為以下幾個(gè)方面：

①恒定的功率晶體管電壓降；

②可忽略控制電路的功耗；

③電動(dòng)機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度按正弦規(guī)律沿氣隙分布；

④每相繞組對(duì)稱并且繞組與相應(yīng)的電路一致，其對(duì)應(yīng)的電氣時(shí)間常數(shù)可以忽略不計(jì)；

⑤繞組通電時(shí)，可以忽略產(chǎn)生磁通的電流對(duì)氣隙的影響。

1.3直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及組成

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有細(xì)微的差別。電動(dòng)機(jī)換向器的定子磁極取而代之的是永磁轉(zhuǎn)子，電樞取而代之的是三相繞組定子。[1]152機(jī)械裝置和電刷取而代之的是逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器組成的電子變換器。

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)來(lái)源于永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)主要由永久磁鐵在很大程度上決定。目前應(yīng)用最廣泛的永磁材料是釹鐵硼，其擁有最大的線性范圍。由于這種永磁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在高速運(yùn)行時(shí)不容易飛出，所以它可以適用于高速電機(jī)。

2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的基本作用是測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極的位置，從而為邏輯開關(guān)電路提供精確的換相信息。位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而對(duì)定子繞組的換相進(jìn)行控制。目前為止有許多類型的位置傳感器，它們都有各自的特點(diǎn)。

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)常用的位置傳感器有以下幾類：磁敏式位置接近傳感器、光電位置傳感器、電磁位置傳感器等。這其中磁敏式位置接近傳感器由于擁有易于集成、結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，占地小，安裝操作簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)勢(shì)，所以目前的使用率最高。

轉(zhuǎn)子位置傳感器是直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)最重要部件之一，它裝在電動(dòng)機(jī)軸上，和直流電動(dòng)機(jī)中的電刷的作用相似，決定著電樞各相繞組什么時(shí)間開始通電。[2]18普通直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)改變電刷的位置，而在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)生信號(hào)的相位。因此轉(zhuǎn)子位置傳感器對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的特性影響非常大。

轉(zhuǎn)子位置傳感器的基本結(jié)構(gòu)通常包括一個(gè)位置信號(hào)形成器和一個(gè)探測(cè)元件，其中位置信號(hào)形成器隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，探測(cè)原件一般是靜止不動(dòng)的。假如位置傳感器由霍爾元件構(gòu)成，那么探測(cè)元件就是霍爾元件，而位置信號(hào)形成器就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極本身。而電磁感應(yīng)式、按鍵開關(guān)式和光電式等其他類型的轉(zhuǎn)子位置傳感器，位置信號(hào)形成器一般是一個(gè)帶缺口的圓盤。[4]735

2.1霍爾傳感器的分類及比較

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體也存在霍爾效應(yīng)，并且半導(dǎo)體的霍爾系數(shù)比較大，所以半導(dǎo)體的霍爾電動(dòng)勢(shì)比導(dǎo)體的更加明顯。

霍爾傳感器常見的可分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種，其異同點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

①組成部分 開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成；線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成。

②輸出 線性型霍爾傳感器輸出為模擬量——電壓；開關(guān)型霍爾傳感器輸出為數(shù)字量——開關(guān)信號(hào)。

③輸入 線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器的輸入都是變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

④功能作用 線性型霍爾傳感器的作用為測(cè)量各種電壓、電流、磁場(chǎng)等；開關(guān)型霍爾傳感器的作用為由斯密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)從而完成開關(guān)動(dòng)作。[2]138

霍爾位置傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)

2.2霍爾位置傳感器的優(yōu)點(diǎn)及要求

霍爾位置傳感器具有普通傳感器無(wú)法比擬的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①霍爾位置傳感器有非常好的電氣隔離作用，可以如實(shí)的反應(yīng)原、副邊的形態(tài)；

②霍爾位置傳感器可以測(cè)量任意的電量參數(shù)；

③霍爾位置傳感器較其他類型的傳感器，它的測(cè)量精度高、線性度好、帶寬大、測(cè)量范圍廣。[3]

霍爾位置傳感器在實(shí)際應(yīng)用中一定要滿足以下兩個(gè)條件：

①霍爾位置傳感器的每個(gè)開關(guān)狀態(tài)具有相同的電角度，但開關(guān)狀態(tài)在每個(gè)電周期內(nèi)不重復(fù)；

②霍爾位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)數(shù)和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)要相互對(duì)應(yīng)。只有滿足了上述的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)與霍爾位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，從而可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的換相。

3直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)由驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)器一般由功率電子器件和集成電路兩大部分組成。驅(qū)動(dòng)器可以分為正弦波和方波兩種類型，二者的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)分布波形分別為正弦波和方波。[4]737二者的選型依據(jù)主要是電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，尤其是由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的類型決定。

驅(qū)動(dòng)器的功能可以用以下幾點(diǎn)來(lái)進(jìn)行描述：

①控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);通過(guò)接收電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)；

②控制電動(dòng)機(jī)逆變橋相關(guān)部件的通斷，從而產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;通過(guò)接收位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)；

③控制和調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;通過(guò)接收速度反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)；

④提供基本的保護(hù)和顯示功能。

4總結(jié)

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)將傳統(tǒng)的機(jī)械換向裝置變更為電子換向裝置，相對(duì)傳統(tǒng)的有刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，如：動(dòng)態(tài)特性好，效率高，壽命長(zhǎng)，噪音低，轉(zhuǎn)速范圍寬，易于制造等。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)性能良好，工作可靠，壽命比有刷電機(jī)提高了約6倍，代表了電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，所以今后的使用空間也會(huì)越來(lái)越廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊耕，羅應(yīng)立.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[2]張琛.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]邢立成，韓豐陽(yáng)，趙敏.電動(dòng)車用直流無(wú)刷電機(jī)電氣制動(dòng)方法研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012,28(2):56-58.

[4]許鵬，曹建波，曹秉剛.無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)軟件起動(dòng)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2009,13(5).

責(zé)任編輯：陳靜

收稿日期：2016-04-20

作者簡(jiǎn)介：劉偉(1984-)，男，山東煙臺(tái)人，講師，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

中圖分類號(hào)：TM332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8275(2016)04-0143-02