霍尔传感器应用于无刷电机驱动控制分析

霍尔传感器应用于无刷电机驱动控制分析

李梦娟

宝时得科技 (中国 )有限公司 江苏苏州 215000

摘要：本文将详细介绍基于霍尔传感器应用的无刷电机驱动控制设计，通过专业的研究与设计经验总结，介绍该传感器在控制系统中如何应用，如霍尔传感器选择、安装方式，电角度选择、转速检测和控制及电机驱动控制设计过程中需要注意的要点等，从而详细说明该传感器在无刷电机控制系统中优势及特性。

关键词：霍尔传感器；无刷电机；驱动控制

引言：在设计无刷电机驱动控制时，需要首先知道转子的位置，转子位置检测通常采用霍尔元件，利用相关霍尔元件将感应信号传送到某种偏差电压中，同时也可以利用该元件对转速进行测算，控制速度及选择电机合适的扭矩，有效实现电机的性能、电机速度的稳定和实现简单控制。

一、有感无刷电机结构

无刷电机其内部结构主要依托于交流或直流电动机，带有维护方便、运行可靠、结构简单等诸多优势，设计时可将其运用在多个领域中，如家用电器、化工、仪表仪器与医疗器械等，将该结构与霍尔传感器高效结合后，该驱动系统的工作效率可获得进一步提升。

针对无刷电机驱动系统而言，该负载无刷电机结构包括电枢绕组、定子与转子等，为更换电枢圈中的电流方向，需要首先知道转子所在的位置，通常设计时选用在其定子和转子中间安置霍尔传感器，通过传感器可精准确认与检验绕组、磁极的相对位置，因而该传感器可分成固定部分与转动部分，由定子完成连接。

二、霍尔传感器的应用

（一）霍尔传感器选型

霍尔传感器是一种磁传感器，该传感器的原理是基于霍尔效应，传感器内部集成了半导体制成的磁感应电路，包含输出级、触发器、稳压器、差分放大器。

开关型霍尔传感器中带有一定的磁感应强度，控制着该电路的开与关，若外加磁感应强度超出动作点，该传感器会输出低电平；在其磁感应强度比动作点低时，其输出去的电平可保持不变，只有当磁感应强度达到释放点时，该传感器的电平才会发生转变，即由低电平变成高电平，其开关动作也会变得更为可靠。在电机的定子和转子间的磁场环境中使用霍尔传感器有很多优势，如霍尔体积小，重量轻，安装简单，不受电机振动影响，能保证寿命要求。同时霍尔安装位置好的情况下，能保证有很高的灵敏度，通信过程中的响应速度也比较快，所以现有的无刷电机控制上普遍采用霍尔传感器。线型霍尔传感器在使用过程中，其外加磁场强度与输出电压会呈现出线性关系，经过相关测算后在一定的磁感应强度内会存有合适的线性度，若磁感应强度在此范围外，其线性度会呈饱和状态。依照不同传感器的性质，在本次试验中技术人员选用了线型霍尔传感器^[1]。

图 2 霍尔传感器内部结构部

（二）选择电角度和极对数

在完成霍尔传感器的选择后，还要注意霍尔的安装位置，通常电机厂商提供的传感器有两种安装位置，60°和120°，在拿到电机无法判断是如何安装的情况下，可以通过霍尔信号的序列来识别。在选择电机时，还需要选择合适的电角度，在无刷电机驱动控制系统中使用霍尔传感器时，在其附近会生成不同程度的低电平或高电平信号，也就是说，在其周遭产生了南磁极或北磁极。依照传感器内部信号的排列组合，技术人员可更换顺序，继而完成电角度的设置。电角度的选择和极对数密布可分，选择电机的极对数不同，电角度也有差异。通常极对数的选择和电机扭矩性能有很大影响。例如，根据霍尔传感器输出的波形，来设置三相绕组的通电顺序，比如每间隔60°霍尔改变一次输出特性，那么一个通电周期下来，就会有6次变化，相电流也会60°改变一次，单是完成一次通电周期，并不一定是转子转动一周，转子转动一周和通电周期数目和转子的极对数有关，通电周期和极对数一一对应。

（三）转速检测及控制方法

电机控制过程中核心的功能是实现电机的启停及转速控制，比如缓速启停，速度调节等。当前速度的检测也是通过采集到的霍尔传感器发送到单片机的信号方波，根据极对数和方波的周期，进行计算当前转速。

根据需要，如对当前速度运行状态不理想，需要速度调节时，此时需要单片机输出PWM波进行调整，根据不同的驱动控制方式，PWM波形不同，单对速度控制核心是改变MOS关的开关时间比。如需要提高速度的情况下，控制PWM的每相MOS关的开关占空比，提高开通时间，是电机转速提高。

（四）设计注意事项

霍尔传感器和电机匹配安装调试时，为保持霍尔传感器的灵敏度与动态特性，通常来讲，要关注其副边线圈与原边线圈的耦合，利用单根导线来填充模块孔径。在进行正式调试期间要避免其磁路出现磁化状态，其原因在于当其产生剩磁时，会给测量工作带去较大影响，降低测量工作的精准度，若出现磁化现象，要实行必要的退磁处理，无需在次边电路添加电源。此外，在调试期间试验人员会发现霍尔传感器带有极强的抗外磁场干扰能力，若在与模块相距的5-10cm出现磁干扰现象，可对其忽略不计，不会影响到调试工作的质量，正常的解决方式应为改变模块方向，逐渐降低外磁场给模块带去的影响；在模块的顶部添加一套抗磁场的屏蔽罩；还可改变霍尔传感器中的元件，总而言之，在调试元件期间应尽量保持该传感器原有性能，降低外部要素给其带去的影响

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控制器调速设计时应注意，常规调速PWM单纯的改变占空比有时候很难达到速度恒定或稳速，如在外借阻力及场景多变的应用场景下，很难做到速度稳定，或扭矩无法发挥电机最近状态，这时候需要其他的调制方式，如PID调速，通过采集母线电流或采集当前转速，实现恒功率控制及恒速控制。

霍尔传感器在信号采集时需要注意的是，由于安装环境及速度，振动不同情况，采集到的霍尔信号不是完整的方波，或掺杂一定的噪音，导致波形有毛刺，这时就需要对信号进行滤波，可在霍尔板信号输出端增加滤波电路，或者在霍尔信号的单片机输入端加滤波，滤除杂波。速度检测和调制时，软件中也需要进行软件滤波，软件内设置的参数通过一定的算法，保证速度调节精度。

总结：综上所述，在无刷电机控制系统中使用霍尔传感器元件，主要应用其内部生成的感应电压，有效克服电机运行期间的缺陷，提升电机整体的稳定度，降低电路成本，增强电机控制效果。

参考文献：

[1]段凯原,胡利民,陈彦勇,等.微小型UUV无刷直流电机驱动控制系统[J].电机与控制应用,2020,47(04):35-39.

[2]马宁,吕晶薇,高小松,等.直流无刷电机霍尔位置传感器电磁干扰机理与试验研究[J].新技术新工艺,2019(07):51-55.