直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器特點(diǎn)/工作原理/分類

　　直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)中，電機(jī)的換相是由轉(zhuǎn)子的位置決定的，因此必須有轉(zhuǎn)子位置傳感器對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。實(shí)際可用的轉(zhuǎn)子位置傳感器有多種，正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器、光電脈沖編碼器作為位置檢測(cè)器，要求連續(xù)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，分辨率要求高，成本也較高。而在矩形波驅(qū)動(dòng)的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中，只需要離散的轉(zhuǎn)子位置信息，即有限個(gè)數(shù)的換相點(diǎn)時(shí)刻，例如常用的三相六狀態(tài)工作方式，一對(duì)極下僅需要確定6個(gè)換相點(diǎn)時(shí)刻即可。所以采用簡(jiǎn)易型的位置檢測(cè)器就可以，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的分辨率要求低得多，因而成本也較低。

　　位置傳感器是直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)組件部分之一，其作用是檢測(cè)主轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)于定子繞組的相對(duì)位置，將永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制它們的導(dǎo)通和截止，使電機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換相，形成氣隙中步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。

　　直流無(wú)刷電機(jī)的位置傳感器主要分為電磁式、光電式、磁敏式等幾種，分述如下。

　　1、電磁式位置傳感器

　　電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其位置測(cè)量，主要有開(kāi)口變壓器式、諧振式接近開(kāi)關(guān)等。

　　開(kāi)口變壓器位置傳感器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子可由硅鋼片的沖片疊成，或用高頻鐵氧體材料壓制而成。在2極三相直流無(wú)刷電機(jī)中的開(kāi)口變壓器定子有六個(gè)齒，它們之間的間隔分別為60°。其中三個(gè)齒繞上一次繞組，并相互串聯(lián)后以高頻振蕩電源（一般的頻率為幾千赫到幾十千赫）供電；另外三個(gè)齒上分別繞有二次繞組，它們之間分別相隔120°。轉(zhuǎn)子是一個(gè)用非導(dǎo)磁材料做成的圓盤，并在它上面鑲上一塊約120°的扇形導(dǎo)磁材料。將它與電機(jī)同軸安裝。開(kāi)口變壓器工作原理與一般旋轉(zhuǎn)變壓器類似，三個(gè)二次繞組的輸出是被轉(zhuǎn)子位置調(diào)制的高頻信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后再進(jìn)行邏輯處理，得到換相控制信號(hào)。

　　諧振式接近開(kāi)關(guān)位置傳感器結(jié)構(gòu)與開(kāi)口變壓器類似，但不需要一次側(cè)高頻勵(lì)磁。在三相電機(jī)，它的定子有三個(gè)電感元件構(gòu)成的振諧電路，轉(zhuǎn)子是一個(gè)約120°的扇形導(dǎo)電金屬盤，當(dāng)轉(zhuǎn)子的扇形金屬部分接近電感元件時(shí)，使得該電路的品質(zhì)因數(shù)Q值下降，導(dǎo)致電路正反饋不足而停振，故輸出為零。當(dāng)扇形金屬轉(zhuǎn)子離開(kāi)電感元件時(shí)，電路的Q值開(kāi)始回升，電路又重新起振，輸出高頻調(diào)制信號(hào)。三個(gè)振諧電路的輸出是被轉(zhuǎn)子位置調(diào)制的高頻信號(hào)，它經(jīng)檢波解調(diào)后再進(jìn)行邏輯處理，獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

　　電磁式位置傳感器具有工作可靠、可適應(yīng)較惡劣使用環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。但這種傳感器信噪比較低，位置分辨率較差，體積較大，已經(jīng)很少使用。

　　2、光電式位置傳感器

　　光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)原理工作，它由安放在定子上的發(fā)光管-光敏接收管組件以及跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板等組成。

　　在三相直流無(wú)刷電機(jī)，遮光板開(kāi)有120°（電角度）左右的縫隙，且縫隙的數(shù)目等于直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極對(duì)數(shù)。當(dāng)縫隙對(duì)著光敏晶體管時(shí)，光敏晶體管接收到光源發(fā)射的光，產(chǎn)生“亮電流”輸出。當(dāng)遮光板擋住光線，光敏晶體管只有“暗電流”輸出。遮光板隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光敏晶體管隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而輪流輸出“亮電流”或“暗電流”的信號(hào)，以此來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，控制電機(jī)三相繞組換相。光電式位置傳感器缺點(diǎn)是光電信號(hào)容易受到灰塵或潮氣的影響，可靠性較低。

　　3、磁敏式位置傳感器

　　磁敏式位置傳感器是利用對(duì)磁場(chǎng)敏感的半導(dǎo)體元件制成的，如霍爾效應(yīng)或磁阻效應(yīng)元件。常見(jiàn)的磁敏式位置傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻以及磁敏二極管等。其中基于霍爾效應(yīng)原理的霍爾元件、霍爾集成電路統(tǒng)稱為霍爾效應(yīng)磁敏傳感器，簡(jiǎn)稱霍爾傳感器。當(dāng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體有電流通過(guò)時(shí)，其橫向產(chǎn)生電壓（霍爾電動(dòng)勢(shì)），這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)被稱為霍爾效應(yīng)。霍爾元件利用它所產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)與正交的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比原理工作。但霍爾元件薄而脆，它的霍爾電動(dòng)勢(shì)小，需要外圍放大電路，不便使用。

　　霍爾集成電路是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，內(nèi)部集成了霍爾元件和必要的外圍電路，它可方便地把磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成較大幅度的電信號(hào)，同時(shí)又具備耐受工業(yè)應(yīng)用環(huán)境可靠工作的要求?；魻柤呻娐肪哂袩o(wú)觸點(diǎn)、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，采用塑封材料包封成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠地工作。由于霍爾位置傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝靈活方便、易于機(jī)電一體化、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，故目前得到廣泛的應(yīng)用。目前，霍爾集成電路傳感器是直流無(wú)刷電機(jī)最主要使用的轉(zhuǎn)子位置傳感器。