霍爾效應傳感器式替代反電動(dòng)勢的方法
無(wú)刷直流 （BLDC） 電機變得越來(lái)越流行，原因不言自明，因為使用傳統電機時(shí)始終會(huì )有電刷磨損，更換為電子控制器后將會(huì )大大提升設備的的可靠性。 而且在保持同等功率輸出的情況下，BLDC 電機可以做得更小、更輕，特別適合空間受限型應用。
由于 BLDC 電機的轉子和定子之間不存在機械和電接觸，因此需要替代方法來(lái)指示零部件的相對位置，從而實(shí)現電機控制。 BLDC 電機使用兩種方式之一來(lái)實(shí)現此目的，即采用霍爾傳感器或測量反電動(dòng)勢。
廢除傳感器
BLDC 電機去掉了組成傳統裝置機械換向器的磨損零件（改進(jìn)了可靠性） 此外，BLDC 電機具有高扭矩/電機尺寸比率，快速動(dòng)態(tài)響應能力，且幾無(wú)工作噪聲。
BLDC 電機歸類(lèi)為同步設備，因為轉子和定子的磁場(chǎng)頻率相同。 定子由鋼片組成，軸向開(kāi)槽以便沿著(zhù)內部圓柱面容納奇數個(gè)的繞組。 轉子采用永久磁體制造，具有兩到八個(gè) N-S 磁極對。
BLDC 電機的電子換向器順次激勵定子線(xiàn)圈，產(chǎn)生旋轉電磁場(chǎng)，從而“拖拽”圍繞它的轉子。 通過(guò)確保線(xiàn)圈在正確的時(shí)間獲得精確地激勵來(lái)實(shí)現有效運轉。
傳感器很有用，但會(huì )增加成本，增加復雜性（由于需要附加繞組），并降低了可靠性（部分原因是傳感器連接更容易受到灰塵和潮濕環(huán)境的污染）。 無(wú)傳感器控制方式解決了這些不足。
利用反電動(dòng)勢
電機的繞組切過(guò)磁力線(xiàn)時(shí)就象一個(gè)發(fā)電機。 此時(shí)會(huì )在繞組中產(chǎn)生電勢，以電壓表示，稱(chēng)作電動(dòng)勢 （EMF）。 按照倫茨定律，這一電動(dòng)勢會(huì )產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，對抗驅動(dòng)電機旋轉的磁通量的原始變化。 簡(jiǎn)而言之 ，這種電動(dòng)勢會(huì )阻礙電機自然運動(dòng)，因而稱(chēng)之為“反”電動(dòng)勢。 在既定電機磁通量和繞組數固定的情況下，電動(dòng)勢的幅度與電機的角速度成正比。
BLDC 電機制造商指定了一個(gè)稱(chēng)“作反電動(dòng)勢常數”的參數，用來(lái)估計既定速度的反電動(dòng)勢。 通過(guò)從供應電壓中減去反電動(dòng)勢即可計算出繞組上的電勢。 電機是這樣設計的，當它們以額定速度運轉時(shí)，反電動(dòng)勢和供應電壓間的電勢差將會(huì )引起電機消耗額定電流并輸出額定扭矩。
驅動(dòng)電機超出額定速度時(shí)會(huì )大幅增加反電動(dòng)勢，從而降低了繞組的電勢差，反過(guò)來(lái)減少了電流并降低了扭矩。 更快地推動(dòng)電機仍會(huì )引起反電動(dòng)勢（加上電機損耗）完全等于供應電壓——此時(shí)，電流和扭矩都將為零。
因為反電動(dòng)勢會(huì )降低電機扭矩，這有時(shí)是一種劣勢，但對于 BLDC 電機，工程師卻可以將這種現象轉變?yōu)閮?yōu)勢。
三相 BLDC 電機變換序列的各個(gè)階段是通過(guò)正向激勵一個(gè)繞組、反向激勵第二個(gè)繞組，然后讓第三個(gè)繞組開(kāi)路來(lái)實(shí)現的。 圖 1 顯示了此類(lèi)電機的第一個(gè)六階段換向序列的簡(jiǎn)化示意圖。
圖 1： 針對 BLDC 電機的第一個(gè)六階段電循環(huán) 線(xiàn)圈 A 正向激勵，線(xiàn)圈 B 為開(kāi)路，C 反向激勵（Microchip 提供）。
使用霍爾傳感器的 BLDC 電機使用受 MCU 控制并通過(guò)驅動(dòng)器操作的設備產(chǎn)生的輸出，來(lái)切換絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 或金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 （MOSFET） 以正常順序激勵線(xiàn)圈。 當霍爾傳感器輸出變化狀態(tài)時(shí)，這些晶體管就會(huì )觸發(fā)（同時(shí)線(xiàn)圈會(huì )被激勵）。¹
BLDC 電機的無(wú)傳感器變型電機，則無(wú)霍爾效應傳感器。 相反，當電機旋轉時(shí)，三個(gè)線(xiàn)圈中的反向電動(dòng)勢會(huì )以梯形（長(cháng)虛線(xiàn)）方式變化，如圖 2 所示。 為便于比較，同一圖中也顯示了類(lèi)似配置電機的霍爾傳感器的輸出。
圖 2： 三相 BLDC 電機的霍爾傳感器輸出與反電動(dòng)勢之比較 注意，霍爾傳感器的切換方式與跨過(guò)無(wú)傳感器電機中零點(diǎn)時(shí)相應線(xiàn)圈的反電動(dòng)勢是一致的（Microchip 提供）。
所有三個(gè)零交叉點(diǎn)的組合用來(lái)決定線(xiàn)圈的激勵序列。 注意，傳統 BLDC 電機中單個(gè)霍爾傳感器變化輸出，與無(wú)傳感器電機中單個(gè)線(xiàn)圈的反電動(dòng)勢零交叉點(diǎn)之間有一個(gè) 30 度的相位差。 因此，在檢測到零交叉點(diǎn)之后，我們會(huì )在無(wú)傳感器電機電路的固件中內置一個(gè) 30 度相位延遲，然后再激活激勵序列中的下一個(gè)動(dòng)作。 圖 2 中，短虛線(xiàn)表示線(xiàn)圈中的電流。
圖 3 顯示了無(wú)傳感器三相 BLDC 電機的一個(gè)控制電路。 在這種情況下，該電路使用了 Microchip PIC18FXX31 8 位 MCU 來(lái)產(chǎn)生脈沖寬度調制 （PWM） 輸出，以觸發(fā)三相逆變器橋中的 IGBT 或 MOSFET。 該 MCU 對來(lái)自反電動(dòng)勢零交檢測電路的輸入作出反應。
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ACM6753 無(wú)霍爾傳感器三相正弦波直流無(wú)刷電機BLDC馬達
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