作者：Jeff Smoot，CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制副總裁

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)或 BLDC 電動(dòng)機(jī)是由直流電源通過(guò)外部電機(jī)控制器供電的電子換向電機(jī)。與它們的有刷親戚不同，BLDC 電機(jī)依靠外部控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)換向，這是在電機(jī)相位中切換電流以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。有刷電機(jī)具有物理電刷，每次旋轉(zhuǎn)兩次以實(shí)現(xiàn)此過(guò)程，而 BLDC 電機(jī)則沒(méi)有，并且由于其設(shè)計(jì)的性質(zhì)，它們可以具有任意數(shù)量的極對(duì)用于換向。本文將回顧 BLDC 電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，介紹換向 BLDC 電機(jī)的常用方法，并介紹一種收集位置反饋的新解決方案。

　　無(wú)刷直流電機(jī)換向基礎(chǔ)知識(shí)

　　BLDC 電機(jī)最常見(jiàn)的配置是三相。相數(shù)與定子上的繞組數(shù)相匹配，而轉(zhuǎn)子極可以是任意數(shù)量的對(duì)，具體取決于應(yīng)用。由于 BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子受旋轉(zhuǎn)定子極的影響，因此必須跟蹤定子極位置以有效地驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)相位。因此，電機(jī)控制器用于在三個(gè)電機(jī)相位上生成6步換向模式。這六個(gè)步驟或換向階段移動(dòng)電磁場(chǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的永磁體移動(dòng)電機(jī)軸(圖 1)。

　　圖 1：BLDC 電機(jī)換向的 6 步模式。(圖片來(lái)源： CUI 器件)

　　為了使控制器有效地?fù)Q向電機(jī)，它必須始終具有有關(guān)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確信息。自無(wú)刷電機(jī)問(wèn)世以來(lái)，霍爾效應(yīng)傳感器一直是換向反饋的熱門(mén)選擇。在典型情況下，三相控制需要三個(gè)傳感器?；魻栃?yīng)傳感器嵌入電機(jī)定子中以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，用于切換三相橋中的晶體管以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。三個(gè)傳感器輸出通常稱(chēng)為 U、V 和 W 通道。不幸的是，這種位置反饋方法有一些缺點(diǎn)。雖然霍爾效應(yīng)傳感器的 BOM 成本較低，但將這些傳感器集成到 BLDC 中的成本會(huì)使電機(jī)的總成本翻倍。此外 控制器僅從霍爾效應(yīng)傳感器獲取電機(jī)位置的部分圖像，這可能會(huì)導(dǎo)致需要精確位置反饋才能正常運(yùn)行的系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。

　　編碼器提供更高的精度

　　在當(dāng)今世界，需要 BLDC 電機(jī)的系統(tǒng)需要比以往更高的位置測(cè)量精度。為此，除了霍爾效應(yīng)傳感器外，還可以將增量編碼器與 BLDC 電機(jī)配對(duì)。這提供了一個(gè)提供改進(jìn)位置反饋的系統(tǒng)，但現(xiàn)在要求電機(jī)制造商在電機(jī)中添加兩個(gè)霍爾傳感器，并在組裝后添加一個(gè)增量編碼器。更好的選擇是完全跳過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器，用換向編碼器代替增量編碼器。這些換向編碼器，例如 CUI Devices 的 AMT31 系列或 AMT33 系列，具有用于精確位置跟蹤的增量輸出，以及與電機(jī)的特定極配置相匹配的換向輸出。 CUI 設(shè)備的換向編碼器，作為數(shù)字的，允許對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行編程，包括極數(shù)、分辨率和方向。這為工程師在原型設(shè)計(jì)和測(cè)試期間提供了靈活性，并減少了多個(gè)設(shè)計(jì)的編碼器SKU數(shù)量。

　　對(duì)準(zhǔn)換向電機(jī)

　　當(dāng)電流施加到電機(jī)上時(shí)，它會(huì)旋轉(zhuǎn)，相反，當(dāng)您旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生電流。如果要旋轉(zhuǎn) BLDC 電機(jī)，您將看到類(lèi)似于下面圖 2 的 3 相輸出。為了將換向編碼器甚至霍爾效應(yīng)傳感器正確對(duì)準(zhǔn) BLDC 電機(jī)，生成的換向波形應(yīng)與反電動(dòng)勢(shì)對(duì)齊。傳統(tǒng)上，這會(huì)導(dǎo)致迭代過(guò)程，需要第二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第一個(gè)電機(jī)，以及示波器來(lái)觀察波形。這可能非常耗時(shí)，并且在制造過(guò)程中增加了大量成本。

　　圖 2：換向輸出和電機(jī)相位(圖片來(lái)源：CUI 設(shè)備)

　　使用 AMT 電容式編碼器，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程幾乎是即時(shí)的，只需要一個(gè)電源。安裝編碼器后，用戶(hù)只需為對(duì)應(yīng)于 AMT 編碼器所需起始位置的兩個(gè)相位通電，并發(fā)送對(duì)齊命令。這樣，用戶(hù)基本上已經(jīng)設(shè)置了編碼器換向波形和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形的起始位置。

　　除了易于對(duì)準(zhǔn)之外，AMT 編碼器的換向信號(hào)與電機(jī)極點(diǎn)的對(duì)齊也更加精確。將換向編碼器與電機(jī)對(duì)齊僅設(shè)置起始位置(即換向波形開(kāi)始的位置)。如果操作得當(dāng)，換向波形應(yīng)與電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形完美匹配。然而，這并不總是可以實(shí)現(xiàn)的。與霍爾傳感器或光學(xué)編碼器的典型對(duì)準(zhǔn)約為 ±1 電度。另一方面，AMT編碼器可以實(shí)現(xiàn)更高的精度，通常在±0.1電度以?xún)?nèi)。當(dāng) U 和 W 都為高電平(上述波形中的第三種狀態(tài))時(shí)，AMT 編碼器的波形開(kāi)始;請(qǐng)咨詢(xún)您的電機(jī)制造商以獲取相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)圖，以確定在對(duì)準(zhǔn)期間應(yīng)通電哪些相位。

　　AMT 換向編碼器的方向設(shè)置

　　除了可編程的極數(shù)和分辨率功能外，AMT 系列還為換向應(yīng)用提供了方向設(shè)置——這是大多數(shù)其他換向編碼器制造商所沒(méi)有的獨(dú)特選擇。簡(jiǎn)而言之，方向告訴您編碼器的軸應(yīng)該以哪種方式旋轉(zhuǎn)以使換向信號(hào)前進(jìn)。通常，換向編碼器放置在電機(jī)的后軸上。在這種情況下，當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)(從電機(jī)背面觀察)，換向信號(hào)通過(guò)其狀態(tài)前進(jìn)。但是，如果您將編碼器放在 前面 軸，您基本上已經(jīng)將編碼器顛倒了，現(xiàn)在當(dāng)您旋轉(zhuǎn) 發(fā)動(dòng)機(jī) 逆時(shí)針(從背面看)， 編碼器的 軸實(shí)際上是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的(在編碼器上從上到下查看)。這意味著電機(jī)的磁極與編碼器的磁極旋轉(zhuǎn)方向相反，如下圖 3 所示。不包括此可編程選項(xiàng)的其他技術(shù)需要物理交換編碼器磁盤(pán)或 U、V、W 通道才能完成相同的任務(wù)。對(duì)于使用具有不同方向要求的多個(gè) BLDC 電機(jī)的應(yīng)用，這種可編程功能特別有用。

　　圖 3：與反電動(dòng)勢(shì)相反的換向波形(圖片來(lái)源：CUI Devices)

　　結(jié)論

　　BLDC 電機(jī)的使用范圍不斷增長(zhǎng)，當(dāng)提供緊密的控制回路和高精度位置傳感反饋時(shí)，可以在許多應(yīng)用中表現(xiàn)出色?；魻栃?yīng)傳感器由于其低 BOM 成本，多年來(lái)一直是首選解決方案，但除非與增量編碼器配對(duì)，否則它們通常無(wú)法提供電機(jī)位置的完整圖像。然而，CUI Devices 的 AMT 換向編碼器提供了一種一體化解決方案，完全消除了對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器和增量編碼器的需求。CUI Devices 的 AMT31 或 AMT33 換向編碼器因其靈活的可編程性和簡(jiǎn)單的安裝而成為市場(chǎng)上最通用的選擇。對(duì)本文概述的換向編碼器原理有基本的了解，可以使其成為即將到來(lái)的 BLDC 電機(jī)項(xiàng)目的引人注目的選擇。