位置反馈
自无刷电机诞生以来,霍尔效应传感器一直是实现换向反馈的主力。 因三相控制仅需要三个传感器且单位成本较低,所以单纯从 BOM 成本角度来看,它们往往是实现换向最经济的选择。 电机定子中嵌入了检测转子位置的霍尔效应传感器,这样就可以切换三相电桥中的晶体管来驱动电机。 三个霍尔效应传感器输出一般标记为 U、V 和 W 通道。 虽然霍尔效应传感器能够有效解决 BLDC 电机换向问题,但它们仅仅满足了 BLDC 系统一半所需。
![](https://file.elecfans.com/web1/M00/D3/E2/o4YBAF_XfeOAeH5oAABDZTBoTAg841.jpg)
图 2:三相桥式驱动器电路
虽然霍尔效应传感器能使控制器驱动 BLDC 电机,但遗憾的是,其控制仅限于速度和方向。 在三相电机中,霍尔效应传感器只能在每个电循环内提供角度位置。 随着磁极对数量的增加,每次机械转动的电循环数量也增加,而且随着 BLDC 的使用变得更加普及,对精确位置传感的需求也由此增加。 为确保解决方案稳健且完整,BLDC 系统应提供实时位置信息,从而使得控制器不仅可以追踪速度和方向,还可以追踪行程距离和角度位置。
为满足对更严格位置信息的需求,常用的解决方案是向 BLDC 电机添加增量式旋转编码器。 通常,除霍尔效应传感器之外,还会在相同的控制反馈回路系统中添加增量编码器。 其中霍尔效应传感器用于电机换向,而编码器则用于更加精确地追踪位置、旋转、速度和方向。 由于霍尔效应传感器仅在每个霍尔状态变化时提供新的位置信息,所以其精度只达到每一电力循环六个状态;而对双极电机而言,仅为每一机械循环六个状态。 与能提供分辨率以数千 PPR(每转脉冲数)计的增量编码器(可解码为状态变化次数的四倍)相比,两者均需的必要性就显而易见了。
![](https://file.elecfans.com/web1/M00/D4/56/pIYBAF_XfemANmY_AABVGjlc8tM490.jpg)
图 3:六步霍尔效应输出和梯形电机相位
然而,由于电机制造商目前必须将霍尔效应传感器和增量编码器都组装到他们的电机上,所以许多编码器制造商开始提供具有换向输出的增量编码器,通常我们简称为换向编码器。 这些编码器经过专门设计,不仅可以提供传统的正交 A 和 B 通道(以及某些情况下“每转一次”的索引脉冲通道 Z),还可以提供大多数 BLDC 电机驱动器所需的标准 U、V 和 W 换向信号。 这样一来,电机设计师就可以省掉同时安装霍尔效应传感器和增量编码器的不必要步骤。
尽管该方法所具有的优势有目共睹,但此方法也做了很大的折衷。 如上文所述,为使 BLDC 电机有效换向,必须掌握转子和定子的位置。 这意味着必须小心谨慎地确保换向编码器的 U/V/W 通道与 BLDC 电机相位正确对准。
对于光盘上具有固定图案的光学编码器以及必须手动放置的霍尔效应传感器而言,实现 BLDC 电机正确对准的过程既反复、又耗时。 对准方法还需要额外的设备,包括第二个电机和一个示波器。要对准一个光学编码器或一组霍尔效应传感器,必须使用第二个电机来反向驱动 BLDC 电机;然后,当电机在第二个电机的作用下匀速旋转时,使用示波器监控三个电机相的反电动势(也称之为逆电动势或反电势)。
编码器或霍尔效应传感器随后发出的 U/V/W 信号必须同示波器上的反电动势波形进行对照检查。 如果 U/V/W 通道和反电动势波形之间有任何差异,则必须进行相位应调整。 这个过程中,每台电机将耗费 20 多分钟的时间,并且需要大量的实验室设备进行操作,因此是使用 BLDC 电机的主要烦恼来源。 虽然光学换向编码器通过仅安装一项技术而解决了安装负担,但光学换向编码器的实施也具有缺乏多功能性的缺点。 因为光学编码器使用其光盘中的固定图案,所以购买之前,电机磁极数、正交分辨率和电机轴的尺寸等都必须掌握清楚。
![](https://file.elecfans.com/web1/M00/D4/56/pIYBAF_Xfe-AMXuXAABPyuDscQY977.jpg)
图 4:换向通道和电机相位理想对准
位置反馈
自无刷电机诞生以来,霍尔效应传感器一直是实现换向反馈的主力。 因三相控制仅需要三个传感器且单位成本较低,所以单纯从 BOM 成本角度来看,它们往往是实现换向最经济的选择。 电机定子中嵌入了检测转子位置的霍尔效应传感器,这样就可以切换三相电桥中的晶体管来驱动电机。 三个霍尔效应传感器输出一般标记为 U、V 和 W 通道。 虽然霍尔效应传感器能够有效解决 BLDC 电机换向问题,但它们仅仅满足了 BLDC 系统一半所需。
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图 2:三相桥式驱动器电路
虽然霍尔效应传感器能使控制器驱动 BLDC 电机,但遗憾的是,其控制仅限于速度和方向。 在三相电机中,霍尔效应传感器只能在每个电循环内提供角度位置。 随着磁极对数量的增加,每次机械转动的电循环数量也增加,而且随着 BLDC 的使用变得更加普及,对精确位置传感的需求也由此增加。 为确保解决方案稳健且完整,BLDC 系统应提供实时位置信息,从而使得控制器不仅可以追踪速度和方向,还可以追踪行程距离和角度位置。
为满足对更严格位置信息的需求,常用的解决方案是向 BLDC 电机添加增量式旋转编码器。 通常,除霍尔效应传感器之外,还会在相同的控制反馈回路系统中添加增量编码器。 其中霍尔效应传感器用于电机换向,而编码器则用于更加精确地追踪位置、旋转、速度和方向。 由于霍尔效应传感器仅在每个霍尔状态变化时提供新的位置信息,所以其精度只达到每一电力循环六个状态;而对双极电机而言,仅为每一机械循环六个状态。 与能提供分辨率以数千 PPR(每转脉冲数)计的增量编码器(可解码为状态变化次数的四倍)相比,两者均需的必要性就显而易见了。
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图 3:六步霍尔效应输出和梯形电机相位
然而,由于电机制造商目前必须将霍尔效应传感器和增量编码器都组装到他们的电机上,所以许多编码器制造商开始提供具有换向输出的增量编码器,通常我们简称为换向编码器。 这些编码器经过专门设计,不仅可以提供传统的正交 A 和 B 通道(以及某些情况下“每转一次”的索引脉冲通道 Z),还可以提供大多数 BLDC 电机驱动器所需的标准 U、V 和 W 换向信号。 这样一来,电机设计师就可以省掉同时安装霍尔效应传感器和增量编码器的不必要步骤。
尽管该方法所具有的优势有目共睹,但此方法也做了很大的折衷。 如上文所述,为使 BLDC 电机有效换向,必须掌握转子和定子的位置。 这意味着必须小心谨慎地确保换向编码器的 U/V/W 通道与 BLDC 电机相位正确对准。
对于光盘上具有固定图案的光学编码器以及必须手动放置的霍尔效应传感器而言,实现 BLDC 电机正确对准的过程既反复、又耗时。 对准方法还需要额外的设备,包括第二个电机和一个示波器。要对准一个光学编码器或一组霍尔效应传感器,必须使用第二个电机来反向驱动 BLDC 电机;然后,当电机在第二个电机的作用下匀速旋转时,使用示波器监控三个电机相的反电动势(也称之为逆电动势或反电势)。
编码器或霍尔效应传感器随后发出的 U/V/W 信号必须同示波器上的反电动势波形进行对照检查。 如果 U/V/W 通道和反电动势波形之间有任何差异,则必须进行相位应调整。 这个过程中,每台电机将耗费 20 多分钟的时间,并且需要大量的实验室设备进行操作,因此是使用 BLDC 电机的主要烦恼来源。 虽然光学换向编码器通过仅安装一项技术而解决了安装负担,但光学换向编码器的实施也具有缺乏多功能性的缺点。 因为光学编码器使用其光盘中的固定图案,所以购买之前,电机磁极数、正交分辨率和电机轴的尺寸等都必须掌握清楚。
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图 4:换向通道和电机相位理想对准
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