文档介绍：无刷直流电动机是一种通过电子开关线路实现换相的新型电子运行电机，由电动机本体、电子开关线路（功率电子逆变电路）、转子位置传感器和控制器等组成无刷直流电动机系统，其原理框图如图10－1所示。图中直流电源通过电子开关线路向电动机定子绕组供电，电将电能转换为机械能。要求绕组能流过一定的电流，产生足够的磁场并得到足够的转矩。
2 位置传感器
转子磁场相对于定子绕组位置的检测是无刷直流电动机运行的关键，对这一位置检测的直接方法就是采用位置传感器，将转子磁极的位置信号转换成电信号。
正余弦旋转变压器或者编码器也可用作位置传感器，但成本较高，仅用在精密控制场合。此外，还有利用容易检测的电量信号来间接判断转子磁极位置的方案，其中最具代表性的是电动机定子绕组的反电动势过零检测法或者称为端电压比较法()。
本节将简单介绍电磁式、光电式和霍尔元件式等三种常用位置传感器的结构和原理。
电磁式位置传感器是利用电磁感应原理来工作的，由定子和转子两部分组成，其结构如图10－5所示。
图10－5 电磁式位置传感器结构
(a)传感器A－A′剖面图；(b)传感器端面图
在图10－5中，定子上有铁心和线圈，铁心的中间为圆柱体，安放励磁绕组Wj，绕组外施高频（一般为几千赫兹到几十千赫兹）电源励磁；铁心沿定子圆周有轴向凸出的极，极上套有信号线圈Wa、Wb和Wc，以感应信号电压。导磁扇形片放置在不导磁的铝合金圆形基盘上制成转子，固定在电动机的转轴上，扇形片数等于电机极对数。由于励磁电源的频率高达几千赫兹以上，因此定子铁心及转子导磁扇形片均由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。可以看出，这实际上是有着共同励磁线圈的几个开口变压器。当扇形导磁片随着电动机转子同步旋转时，其与传感器定子圆周凸极的相对位置发生变化，使开口变压器磁路的磁阻变化，信号线圈匝链的磁通大小变化，可感应出不同幅值的电动势，依此判断转子的位置。
2. 光电式
光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成， 如图10 - 6所示。 遮光盘上按要求开出光槽(孔)， 几个光电耦合开关沿着圆周均布， 每只光电耦合开关是由相互对着的红外发光二极管(或激光器)和光电管(光电二极管， 三极管或光电池)所组成。 红外发光二极管(或激光器)通上电后， 发出红外光(或激光)； 当遮光盘随着转轴转动时， 光线依次通过光槽(孔)， 使对着的光电管导通， 相应地产生反应转子相对定子位置的电信号， 经放大后去控制功率晶体管， 使相应的定子绕组切换电流。
光电式位置传感器是利用光电效应而工作的，由固定在定子上的数个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成，如图10－6所示。遮光盘上开有透光槽（孔），其数目等于电动机转子磁极的极对数，且有一定的跨度。光电耦合开关沿圆周均匀分布，每只均由轴向相对的红外发光二极管和光电管（光电二极管或三极管）所组成。
使用时，红外发光二极管通电发出红外光，当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过光槽，使对着的光电管导通，产生反应转子相对定子位置的电信号。
光电式位置传感器性能较稳定，输出的是直流电信号，无需再进行整流。但其本身产生的电信号一般比较弱，需要放大。
图 10 - 6 光电式位置传感器
霍尔元件式位置传感器是利用半导体材料的霍尔效应产生输出电压的，它实际上是其电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体磁敏元件。用霍尔半导体材料可制成长为l、宽为m、厚为d的六面体4端子元件，霍尔效应原理如图10－7所示。
图10－7 霍尔效应原理
根据霍尔效应原理，如果在垂直于l－m面沿厚度方向穿过磁场B，在垂直于m－d面沿l方向施加控制电流I，则在宽度为m的方向上会产生霍尔电动势EH，可以表示为
(10－1)
式中,RH为霍尔系数，与材料的电阻率和迁移率有关；KH为灵敏度。霍尔电动势的极性随磁场B方向的变化而变化。
霍尔元件式位置传感器也是由定子和转子两部分组成的。由于无刷直流电动机的转子是永磁的，因此可以很方便地利用霍尔元件式位置传感器检测转子的位置。图10－8所示为霍尔无刷直流电动机原理图，表示采用霍尔元件作为位置传感器的四相无刷直流电动机的工作原理。
图10－8 霍尔无刷直流电动机原理图
在图10－8中，两个霍尔元件H1和H2以间隔90°的电角度安置于电机定子A和B相绕组的轴线上作为传感器定子，并通以控制电流，电动机转子磁极的永磁体兼作位置传感器的转子产生励磁磁场。当电机转子旋转时，永磁体N极和S极轮流通过霍尔元件H1和H2，因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电动势，经逻辑处理后去控制功率晶体管的导通和关断，使4个定子绕组轮流切换电