BLDC with Hall Sensor簡易控制說明手冊

控制架構：

一個最基本的直流無刷馬達(BLDC)，使用霍爾感測器(Hall_Sensor)的控制架構如下圖1所示，當中需要使用Hall_Sensor來產生BLDC轉子位置訊號，而控制器(MCU)內會有最少一組以上的編碼程式，可依照Hall_Sensor所輸入的位置訊號輸出相對應的控制訊號，這控制訊號會對BLDC的驅動電路上的開關元件(MOSFET或IGBT)進行操作，將電源依照控制程式規劃的依序傳入BLDC當中，達到控制BLDC運轉的功能。

目前習慣將MCU以及Hall_Sensor部份通稱為控制器(Controller)，將電源處理及驅動的開關元件等部份叫做驅動器(Driver)，在低壓的電源系統中，這兩部份是可以做在一起處理，甚至成為一塊控制IC，但高壓系統中會有散熱及隔離等問題，還是會分為兩塊電路板。

Hall_Sensor的原理：

Hall_Sensor是一種用來量測磁場變化的感測器，其工作原理是利用霍爾效應(Hall_Effect) ，如下圖2所示，當平板半導體介質中有電流通過，另有一垂直方向的磁場作用時，導體內的電荷載子會受到勞倫斯力(Lorentz_force)而符合弗萊明左手定則(Fleming's_Left_Hand_Rules)的方向偏向上或下兩邊，繼而形成了電位差的存在，則該上下兩側的電位差即為霍爾電壓(Hall_Voltage)。

圖中標示：1.電子 2.導體 3.磁鐵 4.磁場 5.電源

(摘至：

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/Hall_effect.png)

Hall_Sensor大致上可分為兩種，霍爾元件及霍爾IC，其中Hall元件的架構如下圖3所示，固定輸入一電流值I_C後，再依照外在磁場強弱與極性的變化於V_H端輸出一Hall_Voltage，在BLDC的使用場合中，會因轉子磁場的轉動而產生包括正負值及大小持續變化的Hall_Voltage，這種不穩定的類比式訊號源往往需要額外的處理才會送入MCU當中做資料的處理，也因此發產出了Hall_IC，如下圖4所示，直接輸出數位邏輯訊號，當Hall_Voltage為正，則輸出Vcc電壓值，Hall_Voltage為負值時，則輸出0V(GND)。

Hall_Sensor在BLDC中的使用：

一、Hall_Sensor的選擇：主要需考量工作溫度範圍、感應磁場的最小值(會限制磁鐵的磁力大小及感測距離)、響應頻率(限制馬達最高轉速)、工作電壓值、輸出Hall_Voltage訊號值的大小(與MCU的工作電壓有關)及外形(影響BLDC的安裝空間)等，以上可參考廠商的Datasheet資料。

二、Hall_Sensor的數量：依照馬達的相數來判斷。

說明：如單相馬達有一相線圈可做兩種方向的電源輸入，其可能切換種類為1X2=2種，則需要一組Hall_Sensor能輸出2¹=2(2的一次方)的訊號數；三相馬達有三相線圈，各可送入兩方向的電源，則切換方式為3X2=6種，因此至少需要三組Hall_Sensor做2³=8(2的三次方)的訊號數才能符合三相馬達的變換需求。

三、Hall_Sensor的方向：Hall_Sensor是具有方向性的元件，在使用時請參考元件的Datasheet，如雙向都可感應時，需朝同一方向放置。如下圖5所示，Hall_Sensor一致朝內。

四、Hall_Sensor的角度：Hall_Sensor是要感測出馬達轉子位置的工具，因此要能平均的放置在360°電氣角的週期之間。

說明：以三相馬達的三組Hall_Sensor為例，如下圖6中所示，平均角度分佈為360°/3=120°的電氣角，若H3為0°位置，在磁極電氣角中一磁極代表180°，則H2為H3再減少120°的電氣角位置，而H1為H2再減少120°，因此H1會跨過N極的180°電器角，放置於S極上，此種稱為120°的Hall訊號；另外還有一種相差180°/3=60°電器角的擺放方式，就稱為60°的Hall訊號。

五、Hall_Sensor的對位：Hall_Sensor的對位需與BLDC的反電動勢(Back_EMF)位置相關。

說明：若Hall_Sensor感測訊號與Back_EMF的角度位置相同，則稱為180°導通模式，如下圖7所示，此種導通模式在驅動時，可能會有開關元件上下臂同時導通的情形，因此需要增加延遲時間(Dead_Time)的保護，且激磁電壓的中高次諧波較高，會產生較大的震動及噪音問題。若改採用Hall_Sensor感測訊號落後Back_EMF角度30°的位置，如下圖8所示，可改善180°導通模式的缺點，稱為120°導通模式，為較常使用的模式。

六、Hall_Sensor的轉向：使用120°導通模式會造成正逆轉的對位角度差異，如下圖9所示，會對馬達運轉效率產生影響，需從MCU內部編碼程式加以修正。

圖9：120° 導通模式正反轉Back EMF與Hall Sensor訊號關係圖

Driver在BLDC中的使用：

三相BLDC的驅動系統主要是利用六顆MOSFET(低壓系統)或IGBT(高壓系統)，分為上下臂兩組，如下圖10所示，上臂為1H、2H及3H，下臂為1L、2L及3L，這六顆開關元件選擇性的導通，可造成U、V及W相線圈上的電源正反向轉換，如1H及2L導通時，電流會從BLDC的U相流入，V相流出，造成U+V-的電源方向輸入，依序切換則可模擬為三相電源輸入，使BLDC持續運轉，再加上PWM(脈寬調變)的開關控制技術，可調整輸入電壓值，以控制BLDC運轉轉速。

MCU的簡介：

微控制器(Micro_Control_Unit)又可簡稱MCU或μC，也稱為單晶片微控制器(Single_Chip_Micro_Controller)，是將ROM、RAM、Timer、CPU、I/O等微電腦系統的功能單元集合在同一個半導體晶片中，其架構方塊圖如下圖11所示，主要運用在將輸入的各種訊號於內部進行處理，依照程式規劃做輸出的控制，可為不同的使用場合進行不同的組合控制，具有高性能、小型化及低價位的特點，提供了最佳的價格性能比，因此廣泛的運用於工業及學術界中。

MCU在BLDC中的使用：

一、MCU的選用：成本、IC腳數及內建功能是主要的選擇要點。

說明：使用Hall_Sensor的三相BLDC最基本的需求為三組輸入訊號及六組輸出訊號，總共9支I/O腳；如要增加調速的功能，則可能需要一組A/D輸入轉換訊號及一組PWM輸出訊號；功能需求越多，則需要的腳數越多，價格也就越高，詳細的功能及腳數資料可參考廠商Datasheet。

二、MCU的工作電源：一般MCU所使用的電源為低電壓，5V或3.3V。

說明：可使用簡單的POWER_IC來達到，以7805為例，可將35V以下的DC電源轉換為5V的輸出，其接線方示如下圖12所示。

三、控制BLDC的事前工作：控制表(Control_Table)的建立。

方法A：

1、直接量測BLDC三相Back_EMF與Hall_Sensor的關係，如下圖13所示，需要使用的工具為示波器及帶動BLDC轉動的載具。

2、將量測完成的圖形，分為六個區塊，建立每一區塊的Hall_Sensor與Back_EMF的編碼，如下圖14所示。

方法B：

1、將直流(DC)電源正負兩端接於三相馬達中的任兩相，觀察轉子轉動位置及Hall_Sensor訊號，如下圖15所示，需要一DC電源供應器及Hall_Sensor訊號顯示電路。

2、改變輸入電源送入相位及電源極性，共六種送電模式，將Hall_Sensor訊號及轉子機械角度完全記錄，如下表1所示；同一送電模式中，轉子具有兩個方向性，則可判斷轉子極數為2(極)X2(方向)=4(極)。

三、Hall_Sensor輸入MCU的訊號：將Hall訊號接在MCU的輸入腳位上。

說明：雖然使用了Hall_IC後Hall訊號會有High及Low的高低電壓輸出，但有時High的高電壓仍然達不到MCU的高電壓輸入值，此時會使用Full_High的方式來增加High時的高電壓值，如下圖16所示。

四、MCU的I/O控制：利用已知的控制表對MCU的I/O進行控制。

說明：將Hall_Sensor訊號的輸出端接在MCU的三組輸入腳位上(或是使用CN中斷訊號腳位做輸入)，當有VDD(MCU所使用的電壓值)的電源訊號輸入時，則訊號為1，VSS(MCU所使用的接地端電壓值)的電源訊號輸入時則為0，再使用另外六組腳位做輸出使用，當設定為1輸出時，腳位上會有VDD的電源輸出，設定為0時，則會輸出VSS，可用來這電壓值來控制驅動開關元件。