有霍尔传感器SVPWM学习总结

这里根据PWM中断用来产生正弦波。

电机概念及分类介绍

一、电机概念介绍

从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，也称其为变压器。

这里主要介绍旋转电机，旋转电机的种类很多，在现代工业领域中应用及其广泛，可以说，有电能应用的场合都会有旋转电机的身影。

图一：伺服电机

二、电机分类及应用概述

众所周知，电机是传动及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经从过去简单的传动向复杂的控制转移；尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式。因此人们根据旋转电机的用途，进行了基本的分类。

图二：旋转电机的分类

三、伺服电机

伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能够将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控元件，从而达到控制目的。

伺服电机的应用现状：

    橡胶轮胎行业：轮弹簧钢丝机、线切割机、铝包钢丝机等。

    食品行业：糖度显示仪、大型烤箱、咖啡机等。

    服装行业：三菱高头机、纺纱机、电脑绣花机、印花机。

图三：绣花机电机

四、步进电机

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；通俗来说就是当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

步进电机的应用现状：

    数控机床制造领域、自动送料机、软盘驱动器、打印机、绘图仪、工业机器手、包装机械、汽车测试等。

图四：软盘驱动器

五、力矩电机

力矩电机是一种扁平形多极永磁直流电机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电机有直流力矩电机和交流力矩电机两种。

力矩电机的应用现状：

交流力矩电机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。一般在纺织工业中经常使用交流力矩电机。

图五：力矩电机

六、开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种新型调速电机，结构及其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电动机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。    

开关磁阻电机的应用现状：

    开关磁阻电机被应用于龙门刨床、锻压机床、纺织机械、造纸机、球磨机、风机

压缩机、抽烟机等。

     图六：车用开关磁阻电机

七、无刷直流电机

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用细长的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多。

无刷直流电机的应用现状：

无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。具体可分为以下三种主要用途，第一：持续负载应用，如风扇、抽水机、吹风机。第二：可变负载应用，如油泵控制、发动机控制等。第三：定位应用，应用在大多数工业控制。

图七：无刷直流电机

八、直流电机

直流电机是出现最早的电机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。直流电机有较好的控制特性。直流电机在结构、价格、维护方面都不如交流电机，但直流电机具有调速性能好、启动容易、可载重启动等优点而被广泛应用。

直流电机的应用现状：

    生活方面，被用于很多电动产品，如风扇、刮胡刀等。在宾馆中，自动门、自动门锁、自动窗帘都用到直流电机。直流电机还广泛应用于飞机、坦克、雷达等武器装备中。直流电机还可应用于机车牵引、如铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机等。

图八：Z4直流电机

九、交流电机

异步电机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及质量较小，成本较低等优点。     

异步电机的应用现状：

    在异步电机中较为常见的是单相异步电机和三相异步电机，其中三相异步电机是异步电机的主体。三相异步电机可用于驱动压缩机、水泵、破碎机等，还可用于传动鼓风机、磨煤机、轧钢机、卷扬机等。单相异步电机在家用电气中使用较多，如电扇、冰箱、空调等。

图九：风机、冰柜电机

十、同步电机

同步电机就是在交流电的驱动下，转子和定子的旋转磁场同步运行的电机。同步电机的定子和异步电机的完全一样，但同步电机的转子有“凸极式”和“隐极式”两种。     

同步电机的应用现状：

    同步电机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件，三相同步电机是主体。同步电机还可以当调相机使用，用于向电网输送感性或者电容性无功功率。

图十：同步电机组成

十一、旋转变压器

旋转变压器是一种电磁式传感器，也称同步分解器，它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。    

旋转变压器的应用现状：

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。它可完全替代光电编码器、在机器人系统、机械工具、汽车、电力、航空航天等位置检测系统中。也可用于坐标变化、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。

图十一：旋转变压器

十二、感应同步器

感应同步器将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器又被称为平面式旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式用于检测角位移信号，直线式用

于检测线位移。

感应同步器的应用现状：

    被广泛用于大位移静态与动态测量中，如三坐标测量机、程控数控机床及高精

度重型机床及加工中心测量装置。

图十二：感应同步器

十三、自整角机

自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或交流电压变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用于实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。

自整角机的应用现状：

被自整角机还可用于实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。它被广泛用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。

图十三：自整角机

十四、速度信号电机

最具代表性的速度信号电机是测速发电机，实质上是一种将转速变换为电信号的机电磁元件，其输出电压与转速成正比。

速度信号电机的应用现状：

测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。

图十四：测速发电机

图十五：电机分类图

电机正反转该如何实现？

一、有刷电机结构介绍

无刷直流永磁电动机广泛地用于驱动和伺服系统中，在许多场合，不但要求电动机具有良好地启动和调节特性，而且要求电机能够正反转。本篇文章，我们着重来分析下有刷永磁直流电动机地正反转原理，为后文直流无刷电机正反转分析奠定基础。

为了更好的了解无刷电机的正反转原理，我们先以有刷电机为例来说明一下有刷电机的正反转是如何实现的。首先我们需要知道有刷电机的旋转原理，那么为了更好的了解有刷电机的工作原理，我们先来看下有刷电机的组成，下图为有刷电机的整体示意图：

图一：直流有刷电机

接下来我们将上图中的有刷电机拆开，可以看到有刷电机内部构造，首先看到的下图为定子永磁体：

图二：定子永磁体

然后是电刷，也即是有刷电机名词中的有刷的来源，就是有电刷，电刷的形式如下图三所示：

图三：电刷示意图

然后是转子结构，包括转子转轴、绕制铜线的铁芯、铜线电枢绕组、换向器组成，如下图四所示：

图四：转子结构示意图

上面介绍的电刷就是用于跟换向器进行连接的，连接的示意图如下图所示：

图五：电刷与换向器连接示意图

二、有刷电机转动原理介绍

实际工作过程中，电刷是跟外部电源引线连接的，这样电流就会从电源正极出发，经过电刷，经过与电刷连接的换向器，经过绕组，经过电刷，回到电源负极。由于转子电枢线圈处于永磁体磁场中，所以通电的线圈就会在磁场中受到安培力的作用，这样转子就会转动起来。

图六：线圈电流方向及受力方向示意图

如上图六所示，红色箭头表示线圈的受力方向，蓝色箭头表示线圈的电流方向，这样线圈将会逆时针旋转。

当旋转到下图七所示的位置时，我们可以看到，换向器连接的电源的正负发生了变化，此时线圈中的电流方向也会发生变化，因此根据左手定则，可以判断出线圈受安培力的方向，这个力会让线圈继续保持逆时针旋转。

图七：换向器连接电源方向发生变化线圈电流及受力示意图

下图八表示线圈电流方向与图七电流方向相反，受力方向也相反，换向器，顾名思义就是让线圈中的电流流向发生变化，这里通过换向器跟电刷的连接，实现线圈的电流方向变化，实现线圈受力方向发生变化。

图八：换向器连接电源方向发生变化线圈电流及受力示意图

就这样，线圈不断的旋转，对应的换向器连接电源的极性不断发生变化，这样就保证了线圈能持续逆时针进行旋转下去，这就是有刷电机的旋转原理。

三、有刷电机正反转

从上面的电机旋转原理来看，电机的受力跟磁场有关，跟线圈的通电方向有关，当磁场确定了，通电方向确定了，那么线圈受到安培力的方向就确定了。这个力的方向可以用左手定则来判定，具体左手定则如下图九所示：

图九：安培力判定示意图

根据上面介绍的内容，下面给出一个逆时针旋转的示意图：

图十：线圈逆时针旋转示意图

如果我们把上图十中的旋转方向规定为正向旋转，那么该怎么实现让线圈反方向旋转呢？我们说，线圈是在力的作用下转动的，那么我们只要改变力的方向是不是就可以实现线圈反方向旋转啊？如何改变力的方向呢？这里就有两种情况可以改变力的方向了。

第一种：改变线圈电流方向。

这种方法可以将电刷电源的方向交换，那么对应的换向器的电源方向就会变化，因此线圈种的电流方向也会发生变化，电流方向发生了变化，就会让线圈受力的方向发生变化，具体如下图十一所示：

图十一：线圈顺时针旋转示意图

大家可以看到，根据此时电源方向及电流方向(蓝色箭头方向)，可以用左手定则判断此时线圈所受安培力的方向如图中的红色箭头所示，因此我们可以知道线圈会顺时针旋转，也就是说，这样实现了线圈反向转动。那么我们对比逆时针旋转的电流方向可以知道，顺时针转动时，电流方向发生了180度变化。这是第一种实现线圈（电机）正反转的方法。

第二种：改变永磁体磁场方向

此时将永磁体的磁极交换，磁场方向如紫色箭头所示，线圈的电流方向不变，那么由左手定则，可以判断出线圈左侧此时所受安培力的方向向上，线圈右侧此时所受安培力的方向向下，因此线圈此时将顺时针旋转。

图十二：永磁体磁极交换

因此交换永磁体磁极，也可以实现线圈反向旋转，那么其实交换永磁体磁极就实现了永磁体磁场方向发生了180度变化，这是第二种实现线圈（电机）正反转的方法。

好了，那么关于有刷电机如何实现正反转的两种方法就给大家讲完了，关于直流无刷电机，我们下篇文章再来给大家分享，谢谢大家！

反电动势到底该如何来理解？

电机中的反电动势是如何产生的呢？要了解这个问题，我们需要回顾一下高中时学过的电磁学知识，在电磁学中我们学到过感应电动势，感应电动势又分为动生电动势和感生电动势两类。

动生电动势是一种由于导体在磁场中运动而在导体内部产生的电动势。感生电动势是一种由于磁场变化而静止导体中产生的一种电动势。

那么我们直流无刷电机中产生的反电动势属于感应电动势中的哪一类呢？因此我们就需要了解一下直流无刷电机的构造了。下图一是一个外转子直流无刷电机：

图一：外转子直流无刷电机示意图

那么从上图一中的电机组成来看，我们知道定子是线圈组成，也就是说导体是静止的，而转子由永磁体组成，永磁体是转动的，那么当永磁体转动时，对于线圈来说就是线圈的磁场发生了变化，因此对于这样构造的直流无刷电机来说，产生的感应电动势就是感生电动势。我们也可以知道，感生电动势的产生是转子永磁体对定子线圈的一个作用。

从上面我们知道，随着电机转子（永磁体）的转动，会感生出一个感生电动势，这个感生电动势的方向可以根据楞次定律（感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化）来进行判断。

图二：外加磁场靠近线圈，磁通量增加时感应电动势方向示意图

图三：外加磁场远离线圈，磁通量减小时感应电动势方向示意图

从上图二图三我们可以知道，当线圈磁通量增加，感应电流产生的磁场方向要阻碍磁通量的增加，当线圈磁通量减小时，感应电流产生的磁场方向要阻碍磁通量的减小。

那么这个感应电动势的方向跟线圈外加电压的方向是相反的，所以通常在电机中把这个感应电动势称为反电动势。这就是反电动势的来源。

通过以上分析，我们知道了转子是永磁体，定子是绕组线圈的直流无刷电机产生的感生电动势就是电机的反电动势，那么根据感生电动势E的公式：

由以上公式可以知道电机绕组中的反电动势的大小跟它的单位时间内的磁通量的变化量成正比。也就是说，在Δt固定的情况下，磁通量变化越大，那么反电动势就越大，反之磁通量变化越小，那么反电动势就越小。

我们知道磁通量的公式如下：

其中，B是磁感应强度，S是线圈平面面积，θ是线圈平面法线与磁感应强度B的夹角。

图四：坐标系及角度定义示意图

为了方便分析，我们假设坐标系及角度定义如上图四所示，从磁通量公式我们可以知道，定子绕组中的磁通量是按正弦规律变化的。

图五：转子与定子线圈通电示意图

在上图五中，转子永磁体磁力线方向与N方向一致，而线圈平面法线方向水平向右，如下图六所示：

图六：磁感应强度方向与线圈平面法线方向示意图

我们可以根据磁通量的公式知道，此时线圈磁通量为0。

图七：转子与定子线圈通电示意图

当转子转动到上图七所示的位置时，此时夹角θ为0，根据磁通量的公式可知，此时磁通量是最大的，因此对于一个固定的定子绕组来说，当转子转动一周，随着磁感应强度与线圈平面的夹角不同（也就是转子的位置角不同）那么磁通量的变化是按照正弦规律变化的。

图八：磁通量曲线示意图

从图八我们可以知道，在0度位置时，磁通量最大，但是磁通量的变化率最小为0（斜率为0），感应电动势为0，在90度时，磁通量为0，但是磁通量的变化率最大（斜率最大），感应电动势最大，在180度时，磁通量最大，磁通量的变化率又为0（斜率为0），感应电动势为0，在270度时，磁通量为0，但是磁通量的变化率最大（斜率反向最大），感应电动势最大。

也就是上式中为单位时间内的磁通量变化，这个变化在数学中可以用求导来表示，也即是上式我们可以写成为：

因此我们可以根据上式画出感应电动势（反电动势）的波形，如下图九所示：

图九：感应电动势波形示意图

那么以上就是对电机中的反电动势的一些理解，仅供大家参考，起个抛砖引玉的作用，希望大家可以利用以上分析，对反电动势的理解更加深入、更加透彻、更加清晰。本篇文章就给大家分享到这里，谢谢大家！

霍尔传感器介绍

霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

一、霍尔效应 霍尔元件 霍尔传感器

（一）霍尔效应

如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为：

式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

（二）霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

（三）霍尔传感器

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。

二、霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

（一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

（二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

三、霍尔传感器的特性

（一）线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

（二）开关型霍尔传感器的特性

如图4所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图5所示。

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

四、霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。

（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：

1、电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于高电压、大电流传感。

霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

2、位移测量

如图7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。

（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

1、测转速或转数

如图9所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

2、各种实用电路

开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：

电路1 防盗报警器：

如图10所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，Ja闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。

电路2 公共汽车门状态显示器：

使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如图11所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。