馬達｜基礎篇

三相無刷馬達 三相全波無刷馬達的位置檢測

2025.02.07

重點

・三相全波無刷馬達的位置檢測方法有兩種：三相全波無刷馬達使用霍爾元件的方法，和三相全波無刷馬達不使用霍爾元件，而使用馬達線圈的感應電壓的方法。

目錄

在上一篇三相全波無刷馬達的旋轉原理”中，介紹了三相全波無刷馬達透過三個線圈中的驅動電流切換實現旋轉的原理。接下來將介紹三相全波無刷馬達的驅動方法，但在此之前會先介紹三相全波無刷馬達的位置檢測方法，因為在實際的三相全波無刷馬達驅動中，需要檢測旋轉的永磁體的位置。

位置檢測的方法主要有兩種。一種是使用感測器的方法，這種方法需要使用霍爾元件的電壓。雖然在上一篇文章中用來說明旋轉原理的圖中沒有直接解釋，但是標出了H1、H2和H3霍爾元件（感測器）。另一種是檢測各線圈的感應電壓的方法，由於這種方法不使用感測器而被稱為“無感測器方法”。

使用霍爾元件的位置檢測（有感測器）

使用霍爾元件（感測器）檢測旋轉的永磁體位置時，將霍爾元件的安裝位置設置在線圈和線圈之間的中點，即1/2角度對應的點（參見右圖）

假設線圈3與線圈1之間的霍爾元件為H1，線圈1與線圈2之間的霍爾元件為H2，線圈2與線圈3之間的霍爾元件為H3，則順時針方向旋轉的電流波形與霍爾元件的信號波形對比如下（中段波形）。

三相全波無刷馬達的旋轉原理

透過改變電流的有效值來改變轉速,透過電子電路處理霍爾元件電壓，生成驅動電流或電壓波形→有感測器

在這個範例中，當對霍爾元件施加N極磁場時產生正（+）電壓，當施加S極磁場時產生負（-）電壓，為差分電壓。並且磁場的強度根據永磁體的旋轉位置以正弦波變化（波形圖下半部分“霍爾元件電壓波形”）。各相的輸出電流波形為梯形波（波形圖上半部分“電流波形”）。波形圖時間軸上的①～⑥的點與上一篇中用來說明“旋轉原理”的圖中的①～⑥相對應。該圖也會在下一節“使用感應電壓進行位置檢測（無感測器）”中使用。

驅動時，由根據轉子位置而變化的霍爾元件輸出信號波形合成輸出電流波形。合成是由H1電壓波形減去H2電壓波形，H2電壓波形減去H3電壓波形，H3電壓波形減去H1電壓波形。透過這些運算，可以獲得相位比H1、H2和H3提前30°的正弦波形（M1、M2、M3）。只要基於這些信號生成輸出電流，即可創建用於驅動具有所需相位的馬達的電流波形。

要合成用於反轉的輸出電流信號時，需要從H2中減去H1，從H3中減去H2，從H1中減去H3。也就是說，基於M1＝H2－H1、M2＝H3－H2、M3＝H1－H3，根據M1、M2和M3的組合波形的相位提供輸出電流，即可實現反轉。

使用感應電壓進行位置檢測（無感測器）

這是不需要感測器（霍爾元件）的方法，使用的是線圈中產生的感應電壓。在三相全波無刷馬達中，永磁體相對於線圈旋轉，N極和S極交替變化，所以線圈的磁通密度發生變化，線圈自身發電並產生感應電壓。當磁極N在線圈端時，進入線圈方向的磁通密度最高；當磁極S在線圈端時，從線圈出來的方向的磁通密度最高。然而，當永磁體的磁化波形為正弦波狀時，磁通密度的變化在N極和S極之間的中點處最大。

三相全波無刷馬達的旋轉原理

上圖與上一篇“旋轉原理”中使用的圖片相同，三相全波無刷馬達①～⑥的狀態對應於下面波形圖中的時間軸①～⑥。

透過改變電流的有效值來改變轉速,透過電子電路處理霍爾元件電壓，生成驅動電流或電壓波形→有感測器

下面對三相全波無刷馬達①～⑥的狀態與感應電壓波形之間的關係進行說明。

  • ①：線圈1位於S極和N極之間的中點，由於S極產生的磁通從線圈外側出來的工作變為N極產生的磁通進入線圈的工作，因此磁通密度的變化最大。所以線圈1的感應電壓相對於線圈中點是正電壓，且最大。
  • ②：由於磁通密度的變化比之前略小，因此線圈1的感應電壓降低。
  • ③：由於通往線圈1的磁通密度的變化進一步變小，因此感應電壓也進一步降低。
  • ④：由於N極在線圈端，磁通密度的變化變為零，所以線圈1的感應電壓變為零。
  • ⑤：由於N極逐漸遠離線圈1，進入線圈的磁通量逐漸減少，因此感應電壓變為負值，磁通量變化小，故感應電壓略有下降。
  • ⑥：由於通往線圈1的磁通密度的變化進一步變小，因此感應電壓也進一步降低。

同樣，線圈2和線圈3在從S極切換到N極的中點產生最高的正感應電壓，在從N極切換到S極的中點產生最高的負感應電壓，當N極和S極位於線圈端時，感應電壓變為零。

另外，如波形圖所示，各線圈的感應電壓波形與其驅動電流波形的相位相同。

透過檢測感應電壓的零點並合成輸出電流波形，可以將感應電壓用作轉子的位置檢測信號，使馬達旋轉，因此無需使用位置檢測用的霍爾元件即可進行控制。

從下一篇開始，將會介紹實際的驅動方法。

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三相全波無刷馬達的位置檢測
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