无刷电机常用的位置检测方法

上一篇文章我们讲了一些无刷电机的基础知识，包括无刷电机的内部结构，驱动原理等，我们知道了只需要按照转子的当前位置，来按顺序给定子线圈通电，就能让电机转动起来。

但是，上一篇中我们跳过了一个关键步骤，就是如何检测转子的位置。本篇我们就讲讲常用的位置检测方法，以及引出的一些相关问题。

1）霍尔传感器检测位置驱动

我们知道，获取磁铁的位置可以用霍尔传感器，无刷电机的转子就是永磁体，因此只要在合适的位置安装霍尔传感器，就能知道转子的旋转位置。

在无刷电机中，一般用3个开关型霍尔器件就能检测转子的位置。霍尔的安装位置可以相隔120°，也可以相隔60°，我们以下图3N2P型电机，霍尔相隔120°的安装方式为例：

a、b、c是三个霍尔传感器。当N极接近霍尔a时，a输出高电平1；当N远离a时，a输出低电平。同理b、c也是一样的特性。

因为2P的转子是一对极，所以在转子逆时针转动一周时，a、b、c霍尔的输出波形就都会高低电平变化一次，如下图所示：

例如，下图中，转子当前的位置会使得霍尔输出cba = 110：

这样我们通过霍尔传感器的输出，可以确定转子的当前位置，再结合上一篇讲的方法，就可以使它转动起来了。

如果我们想使用“二二导通”的方法让它逆时针转动，在图中位置cba = 110，则应该使得B线圈加正电压C线圈加负电压A悬空；这个加电状态保持到N极转到接近c位置时，霍尔输出会自动变为cba = 100，则我们的加电状态应该变为A线圈加正电压C线圈加负电压B线圈悬空，才能让转子继续逆时针转动。

不难发现，三个霍尔的输出在一个周期内是6个状态，正好对应了“二二导通”法电机转动一圈时对线圈通电的6个状态。

于是，我们只需要用abc三个霍尔的输出来控制ABC三个线圈的加电状态，就能控制电机连续地转动起来了。

具体来说，逆时针转动时，如下切换：

顺时针转动时，如下切换：

至此，有霍尔感的无刷电机驱动，就可以用上述方法驱动起来了。

关于有传感器的位置检测，还有许多其他方法，如编码器、光电传感器、旋转变压器等等。后续小白白会专门写一篇文章讲解。

2）无传感器（检测反电动势）驱动

在一些微、小电机系统中，安装位置传感器对电机的体积和成本会有不利影响，因此，无传感器的位置检测技术也非常有实用价值。我们先来讲解它的原理，再聊聊它的优缺点。

我们以下面这张图为例：

对比一下上节中有传感器的驱动方式，在这个位置，是B线圈加正电压C线圈加负电压A线圈悬空。

电机的转子磁铁在转动时，显然在A线圈上会有产生一个感应电动势。假如当转子磁铁转动时，S极先接近线圈A，然后从另一边远离线圈A，在线圈A中产生的感应电动势就会有一个由正变为负的过程（或者由负变正），也即是感应电动势会有一个过零点。（注意一下，这里的感应电动势过零点，是以三个线圈的中心连接点为参考点的）。

所以，我们可以在电机转动时，检测不加电的那一相的感应电动势得过零点，就能知道转子的位置了。

检测过零点的方法有很多种，可以用比较器，如下图的电路，是检测其中一相的示例：

注意图中的中点电压，一般无刷电机是不会把中点引出来的，要通过其他方式获取，可以用三相线串电阻后连到一起得到。下图是一种经典的获取中心点电压的方法，左边是三相线上取的电压，右边输出是中心点和三相过零的检测点：

上图中的电阻值可以依据供电调整，主要是分压用的。

另外，电机转动起来时、以及用PWM控制时，都会产生很多干扰，在过零比较时需要加入滤波电路，上图中的电容就是一种简单的滤波方法，但是要注意，加电容滤波以后会造成电压的相位滞后，所以电容值不能过大。如果是通过软件采集后再判断过零点，也可以通过软件来滤波。

检测到转子的位置，就可以据此进行换向了，最佳换向位置是在过零点之后30°。那么如何知道转过30°需要多长时间呢？

通常的方法，是近似认为转子的转速是均匀的，从上一次换相到本次过零的时间，就约等于本次过零到下次换相的时间。由此，我们只需要用单片机进行计时，就可以知道近似的30°的换向位置。

另一种更加简单直接的方法，是在检测到过零点后，立即进行换向，这种方法换向位置不是最佳的，会损失一些效率，但是设计起来最简单。

至此，无传感器的位置检测和驱动方法，我们已经基本了解了。

但是，此时又出现了一个新问题，在初始启动、转子还没有转动时，磁铁和线圈没有相对运动，线圈里是没有感应电动势产生的，那该怎样确定转子的位置呢？我们看下一节，无传感器电机的启动问题。

3）无传感器的电机启动问题

由于无传感器的模式，需要靠感应电动势来判断转子的位置，所以电机刚开始启动时，或者转速很低时，感应电动势很小，是无法用来检测位置的。所以无传感器的无刷电机的启动是个难点问题。

一般的方法是采用三段法启动，即先预定位，再启动加速，最后进入闭环控制。具体的实现方法如下：

a)预定位

就是先给某两相通电一小会儿，让转子转到预定的位置；这个通电时间、占空比需要依据不同的电机和负载情况确定；否则可能会由于长时间在一个线圈上加电烧坏，或者时间太短不能预定位。

b)启动加速

就是依据所要转动的方向，依次给各相加电（换相）；启动的过程，需要多次换相，并逐渐加速；同样的，这个加速过程也与具体的电机和负载相关，需要测试来确定，换相频率太低，电机加速慢，线圈也会发热严重；换相频率太高，电机运行起来容易失步，导致加速失败。

常见的加速有三种方式：恒频升压法、恒压升频法、升频升压法，字面意思就可以理解，就不多解释了；如某些航模电调，加速时，每次延时时间比上一次减少1/25，直到电机完全转起来。

c）闭环控制

当启动加速到一定转速时，反电动势及其过零点可以被稳定的检测到时，就可以切换到闭环控制状态，也就是按上一节的控制逻辑进行换相驱动了。

由无感驱动的方法可以看出，它的启动是比较复杂的，在低速运转时感应电动势较小时也运行困难，所以无感无刷电机不合适用在频繁启停、低速运转的场合，而比较适合用于体积、成本受限、运行速度比较高的场合。

4）无刷电机的速度控制

通过上述讲解，我们知道了，无论是有感还是无感无刷电机，在转动时，是靠转子的位置去确定下一时刻的通电状态，而转到下一个位置的时间只与供电电压相关，所以，无刷电机调速时，最简单得方法是调整供电电压，或者使用PWM控制。

使用PWM控制时，常用的方法是在导通区间内，上下桥臂其中之一恒通、另一半用PWM控制，如下图所示，左图是下桥臂恒通上桥臂PWM控制的方式，右图是上桥臂恒通下桥臂PWM控制的方式：