揭秘电机控制：有感与无感检测方式的原理与方案

在电机控制领域，获取转子位置并计算下一步导通的桥臂，是实现电机稳定旋转的关键。为了达成这一目标，通常会采用有感和无感两种检测方式。下面我们将深入探讨这两种检测方式的原理、特点及应用方案。

有感检测：基于霍尔传感器

有感检测主要基于霍尔传感器，在无刷电机中，一般会使用 3 个开关型霍尔传感器来检测转子位置。这些传感器会以相隔 120° 的方式进行安装，如图所示。

当转子的 N 极靠近霍尔传感器时，传感器输出高电平；当 N 极远离时，输出低电平。当转子转动一圈，会产生特定的波形。

然而，使用有感的霍尔传感器也存在一些弊端。一方面，会增加无刷电机的生产制造成本，同时还会增加接线安装费用；另一方面，一旦传感器发生故障，电机将无法正常工作。

无感检测

无感控制策略有多种，包括反电动势法、电感法、续流二极管法等，其中反电动势法应用为广泛和成熟。根据楞次定律，反电动势的极性与绕组上主电压的极性相反，其计算公式如下：

无刷电机制作完成后，转子磁场和绕组匝数等参数固定，反电动势取决于角速度，即转子的转速。每次换向时，有一个绕组为正，一个为负，第三个保持开路。通过检测各相绕组的反电动势过零点，能在一个电周期内获得转子的 6 个位置。三相无刷电机旋转一个周期时，各相的电流与反电动势波形如下：

需要注意的是，每一相的反电动势均存在由正到负以及由负到正的情况，所以三相无刷电机共有 6 种过零状态。

在实际开发中，基于反电动势 BEMF 的过零点检测主要有 ADC 采样、比较器检测、相电流采集三种方案。其中相电流采集属于无感 FOC 控制方案，而前两种属于无感方波控制方案。

当无刷电机转速极慢时，反电动势幅度值很低，很难检测到过零点。

基于 ADC 采样的无感检测

无刷电机转动时，反电动势过零点会出现浮空相。此时，通过检测各相的对地电压，并与直流母线电压对比。当端电压等于直流母线电压的一半时，就认为发生了过零点事件。也就是说，基于 ADC 的过零点检测方案是通过同时测量端电压与直流母线电压，对比判断是否处于过零点。

下面是一个 ADC 过零点检测电路的硬件原理图，通常为简化计算流程，端电压与直流母线电压会采用相同的分压系数。例如在 12V 无刷电机控制方案中，可采用 1:21 的分压方案，使直流母线电压与端电压处于电机控制芯片 ADC 能够采集的范围。

基于比较器的无感检测

无刷电机转动时，反电动势过零点会出现浮空相。此时，检测各相的对地电压并与中性点电压比较。当端电压从大于中性点电压变为小于中性点电压，或者从小于变为大于时，可视为过零点。但通常无刷电机不会引出中性点，无法直接测量其电压。

在基于比较器的过零点检测方案中，可以将三相绕组通过相同阻值的电阻器连接到公共点，构建一个中性点，再将该中性点电压与端电压通过比较器进行比较，从而获得过零点的信号。