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+5V1霍尔集成芯片2GND(上拉电阻) R
图4.2 霍尔开关应用电路原理图
使用霍尔开关构成位置传感器通常有两种方法。第一种方式是将霍尔开关粘贴于电机端盖内表面，在靠近霍尔开关与之有一定间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体，以跟踪电机本体转子磁极的位置，其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。
第二种方式是直接将霍尔开关敷贴在定子电枢铁心表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子的永磁体主磁极作为传感器的永磁体，根据霍尔开关的输出信号即可判定转子位置。
对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个霍尔开关在空间彼此相隔120°电角度，传感器永磁体的极弧宽度为180°电角度，这样，当电机转子旋转时，三个霍尔开关便交替输出三个宽为180°电角度、相位互差120°电角度的矩形波信号
霍尔开关的安装精度对于无刷直流电动机的运行性能有较大的影响，在安装时不但要保证三个霍尔开关在空间彼此相差120°电角度，同时还必须保证霍尔开关与绕组的相对位置正确，二者相对位置不同，换相逻辑亦随之不同。 4.1.3光电式位置传感器
光电式位置传感器是由装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电光电开关组成的，其原理如图4.3所示遮光盘上开有180°电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数，4极电机所用遮光盘如图4.4所示；光电开关通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。
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UCCU0遮光片GND
图4.3 光电传感器原理图
图4.4 4极电机所用的遮光盘
对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，三个光电开关在空间依次相差120电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔传感器。
当遮光盘上的扇形开口对着某个光敏接收元件时，该光敏元件因接收到对面的发光二极管发出的光而产生电流输出；而其他光敏接收元件由于被遮光板挡住光而接收不到光信号，所以没有输出。这样，随着转子的转动，遮光板光敏元件轮流输出“亮电流”和“暗电流”信号，以次来判断转子磁极的位置。
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4.2无位置传感器检测
位置传感器在无刷直流电动机控制中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。但是这些外加的位置传感器增加了系统的成本和体积，降低了其可靠性，限制了其应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。
除了上述的通过安装霍尔元件、磁敏晶体管、光电码盘等位置传感器的实现转子位置的检测外，还可以采用无位置传感器的方法。没有外加的转子位置传感器，并不意味着不需要检测转子的位置，而是不使用外加的位置传感器，转而通过检测电机的磁链、电流和电压等物理量，再经过相应的处理间接地获得无刷直流电机转子的位置。当前，无位置传感器的位置检测方法主要有：端电压检测法、续流二极管工作状态检测反电势法、反电势三次谐波检测法、瞬时电压方程法等。其中检测电机反电动势波形以确定电机转子磁极的位置是比较常用的方法，也成为“反电势法”。但是，在实际应用中电机反电动势的大小并不能被直接检测出来。因此，一般是通过间接的方法来检测或计算电机的反电势波形。 4.2.1常用的无位置传感器位置检测方法
1反电动势检测法
对于最常见的两相导通星形六状态工作方式，除了换相瞬间之外，在任意时刻，电机总有一相绕组处于断电状态，当断电绕组的反电动势过零点之后，再经过30°电角度，就是该相的换相点。因此，只要检测到各相绕组反电动势的过零点，就可确定电机的转子位置和下次换流的时间。
由于反电动势难以直接测取，通常通过检测端电压间接获得反电动势过零点。故这种方法称为电压检测法。
反电动势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时，反电动势为0或大小，因而无法利用。一般采用专门的起动电路，使电机以他控变频方式起动，当电机具有一定的初速度和电动势后，在切换到自控变频状态。这个过程称为三段式起动，包括转子定位、加速和运行状态切换三个阶段。
2续流二极管工作状态检测法
通过对逆变器开关管加以特殊时序的斩波控制信号，使电机绕组的续流电流沿着特定的回路流通，当断开相绕组的反电动势过零点时，与断开相开关管并联的续流二极管中将流过续流电流，通过对续流二极管通与否就可以确定出绕组反电动势的过零点，从而得到电机的转子位置信号。
这种检测方法实际检测的也是绕组的反电动势，但是检测的灵敏相对较高，在电机额定转速的2%以上有效，起动容易，调速比大，控制算法简单，硬软件容易实现，可靠性高，缺点是实现电路稍复杂一些。
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3三次谐波检测法
对于无刷直流电动机，绕组反电动势为梯形波，。经过Fourier级数分解，可以发现除了基波分量以外，还含有较大的三次谐波分量。三次谐波分量的一个周期对应基波分量的120°电角度，其相邻两次过零点间隔60°电角度，正好与电机相邻两次换相的时间间隔相同，只是相位相差90°电角度，因此，将反电动势的三次谐波分量移相90°电角度以后，得到的信号就可以作为转子位置信号，其每一个过零点均对应着一个电流的换相点。
反电动势三次谐波的检测有两种方法：一是在星形连接的绕组三端并联一组星形连接的电阻，两个中性点之间的电压即为三次谐波。当电机的中性点没有引出线或不便引出时，可采用另一种方法——通过星形连接电阻的中性点与直流侧中点之间电压来获取三次谐波分量，不过它需要滤波器来消除高频分量。由于采用了滤波器，会产生一定的移相。
实验证明，这种方法比直接反电动势过零检测法有更宽的运行范围，可在5%额定转速下稳定运行，而通常认为直接反电动势法在20%额定转速时才有效。
4瞬时电压方程法
利用电机各相瞬时电压和电流方程，实时计算电机由静止到正常运转任一时刻转子的位置，控制电机的运行。该方法不需专门的起动线路，电路简单，起动转矩大。但对电机本体的数学模型依赖性大，当电机参数因温度变化发生漂移时，容易造成建模误差，使控制精确性受到影响；另外，由于在线计算复杂，计算量大，考虑到转子位置检测的实时性，必须采用具有快速运算能力的DSP和高速A/D转换器。这种方法还适用于正弦波无刷直流电动机。 4.2.2反电动势过零检测法
反电势过零检测原理
图4.5所示的理想条件下一个周期内各相方波和梯形反电势的波形，无刷直流电机每相的反电势在一个周期内都有两次经过零点，并且每个过零点都超前下次换相点30°电角度，因此，只要能检测出每个过零点，再延迟30°电角度，就可以得到下次换相点的时刻。
第 31 页 ia 0 ea ωt eb 0 ib ωt ec 0 ic T ωt 图4.5 理想条件下各相方波电流和梯形反电势波形
如果忽略凸极效应，并假设三相对称，则三相绕组内阻为同一常数，自感和互感也相等，且与转子位置无关。三相无刷直流电机主电路等效原理如图4.6所示，各电压以直流侧电压VS的负极为参考。
VT1VD1VT3VD3VT5VD5UsVT4VD4VT6VD6VT2VD2
图4.6 无刷直流电动机三相全控电路等效原理图
iaibicrLeaebuNec直流无刷直流电机的三相电压平衡方程为：
?dia???ua?ria?(L?M)eudtan???dib?? （4.2） ?ub?rib?(L?M)ebund?t?dic???uc?ric?(L?M)ecun?dt?式中ua、ub、uc——定子相绕组电压；un——电机中性点对地电压
i、i、i——定子相绕组电流；
e、e、e——定子相绕组反电动势；
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