霍尔位置传感器在无刷直流电机中的应用

霍尔位置传感器在无刷直流电机中的应用
[摘要]无刷直流电动机是随着半导体技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。

位置传感器是无刷直流电机系统组件部分之一，其作用是检测主转子在运动过程中相对于定子绕组的位置。

霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化、价格低等优点，得到广泛的应用。

目前，霍尔集成电路传感器是无刷直流电机最主要使用的转子位置传感器。

本论文主要研究霍尔位置传感器在无刷直流电机具体安放位置。

为了方便研究，在其中讲述了无刷直流电机的工作原理、霍尔效应、霍尔元件在无刷电机中的及其换相过程的实现以及对无刷直流电机进行调速的PWM法原理,论文研究的思路是通过分析霍尔位置传感器与三相磁动势的对应关系，得到霍尔位置传感器的准确安放位置。

通过结果验证，准确定位后安装的霍尔位置传感器，可以使无刷电机完成正确的换相次序，确保无刷电机安全稳定的运行，满足工业生产需求。

[关键词]无刷直流电机；霍尔传感器
Hall position sensors in the brushless DC motor application
[Abstract] Brushless DC motor is as semiconductor technology development and the emergence of new Mechatronics Motor, it is a modern electronic technology, control theory and motor technology combined with the product. Position sensor is a brushless DC motor system of the component parts, its role is to detect the main rotor in motion relative to the position of the stator winding. Hall position sensor has a simple structure, small size, flexible installation, easy mechatronics, low price, is widely used. At present, the Hall IC sensor is a brushless DC motor with a rotor position sensor main.
In this thesis, the Hall position sensors in brushless DC motor concrete placement. In order to facilitate research, which tells the story of the brushless DC motor works, Hall effect, the Hall element in the brushless motor commutation process of its implementation and the brushless DC motor speed control PWM method principle, thesis idea is through the analysis phase hall sensor with MMF correspondence between the hall position sensors to obtain the exact placement. By results of verification, accurate positioning of the Hall position sensor after installation, you can make brushless motor commutation can be done right order, to ensure safe and stable operation of the brushless motor to meet industrial production needs.
[Key words] Brushless DC motor ;Hall sensor
前言
随着工业生产对电机性能要求的不断提高，传统的有刷电机越来越不能满足人们的要求，取而代之的是无刷电机，主要原因是传统的有刷电机是依靠换向器实现换向功能的，属于机械换向，存在一些致命的弱点：
（1）机械接触换向产生的换向火花引起换向器和电刷磨损、电磁干扰，导致噪声大，寿命短；
（2）结构复杂，可靠性差，故障多，需要经常维护；
（3）由于换向器存在，限制了转子转动惯量的进一步下降，影响了动态特性[22。

因此，无刷电机应运而生。

无刷电机主要的优点是运用电子器件实现电子换向的，由于是电子换向，不存在机械换向间的摩擦，电机的使用寿命、性能和可靠性等都得到了很大程度的提高。

考虑到无刷电机的优越性能，同时为了降低产品生产的成本，我司决定自行研究开发无刷直流电机。

按照无刷直流电机工作原理，必须有转子磁极位置信号来决定电子开关的换向。

目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）的方法来得到这些信号。

具体的实现过程：位置传感器是无刷直流电机系统组件部分之一，其作用是检测主转子在运动过程对于定子绕组的相对位置，将永磁转子磁场的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换向信息，以控制它们的导通和截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断的旋转。

本论文主要研究霍尔传感器位置的安放，沿用前人研究的成果，关于霍尔位置传感器与三相磁动势对应关系，并在此基础基础上进行分析的。

具体的解决思路是首先了解无刷电机的工作原理，理解霍尔元件的工作原理特性，无刷电机换相的具体要求，然后考虑出霍尔元件与三相磁动势的对应关系，进而得出霍尔元件的正确安放位置。

绪论
霍尔位置传感器在无刷电机中的应用
1绪论
1.1 无刷直流电动机的发展概况
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。

有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩转速控制特性，在相当长的一段时间内一直在调速控制领域占据主导地位。

但是，带有机械接触的电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点：
(1)机械接触换向产生的换向火花引起换向器和电刷磨损、电磁干扰，导致噪声大，寿命短；
(2)结构复杂，可靠性差，故障多，需要经常维护；
(3)由于换向器存在，限制了转子转动惯量的进一步下降，影响了动态特性。

因此，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。

为了取代有刷直流电动机的机械接触式换向装置，人们进行了长期的探索[1]。

早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。

1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相电路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。

无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。

无刷直流电动机系统也因此而得到了迅速的发展。

在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。

霍尔位置传感器在无刷直流电机中的应用
随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。

1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟[2]。

我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。

1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛关注，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。

经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。

位置传感器是无刷直流电机系统组件部分之一，其作用是检测主转子在运动过程对于定子绕组的相对位置，将永磁转子磁场的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换向信息，以控制它们的导通和截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断的旋转。

矩形波驱动的永磁直流无刷电机的位置传感器主要分为磁电式、光电式、磁敏式等几种[3]。

其中，霍尔传感器（磁敏式）以其优良的特点脱颖而出。

1.2 霍尔传感器发展趋势与研究的主攻方向
按照无刷直流电机工作原理，必须有转子磁极位置信号来决定电子开关的换向。

目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）的方法来得到这些信号。

国际上，传感器技术日益发展，2012年全球传感器市场容量为650亿美元，预计2015年全球传感器市场可达720亿美元以上。

在东欧、亚太区以及加拿大已经成为传感器市场增长最快的地方，而今经济发达的美国、德国以及日本仍是传感器市场分布最大的地区[3]。

就世界而言，霍尔传感器是市场上增长最快的。

世界各国对霍尔传感器的理论研究、新材料应用及新产品开发都十分重视，然而各国传感器的技术进步也非常迅速。

一些发达国家不断研发新型传感器，从而使传感器的性能也大大提高。

2012年前后，国外敏感元件与传感器发展的总体趋势是小型化、集成化、阵列化、智能化、系统化和网络化。

传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞争将加速新一代传感器的开发和产业化[4]。

国内，很多生产生活方面都用到传感器，主要产品有：温度传感器、压力传感器、磁电传感器、流量传感器、液位传感器、湿敏传感器、力敏传感器、气敏传感器，用于工业生产的还有：开关类的接近/定位传感器、安全门开关等安全传感器、旋转编。