霍爾傳感器在BLDC電機上的應用解析

在工業大多數的電能損耗來自大型電機和固定速度的驅動系統。因此，能效運動控制系統應適應未來實際負載需求應用。BLDC電機滿足這一要求通過電子換向和調速控制。電機磁極繞組換向在最佳的轉子位置的是非常重要的，用于減少電損耗當使用可變轉速和負載的情況。本文討論了不同的霍爾傳感器布置和一體化技術發展趨勢。

轉子位置反饋可靠性是很重要的，對于運動控制系統的性能。它允許定子繞組精確的換相，最大限度地減少電機電損耗。通常在120?相移UVW信號用于激活BLDC電機驅動器的換向。不同的選項are available today to generate the UVW signals.可產生UVW信號。

這可以使用霍爾傳感器或開關，可以組裝在繞組中或安裝在一個小的PCB上面；計算軟件基于反電動勢數據從定子繞組；連接在電機軸上的光學或磁編碼器；或先進的單片光學或磁編碼器芯片集成motorhousing.電機外殼當中。

霍爾傳感器或開關廣泛用于BLDC電機，由于其低元件成本。這種方法需要有效的算法來計算UVW，從測得的反向電動勢。同時快速微處理器或DSP需要減少執行時間和減少額外的延遲時間。這種方法的局限，UVW信號的產生可以在快速負載變化，在低轉速和在同步操作上觀看到。硬件中檢測轉子的絕對位置被認為是the most reliable option. Attaching an optical ormagnetic encoder unit to the BLDC最可靠的選擇。連接在BLDC電機上的光學或磁性編碼器是有利的，當需要高精度動態定位，如果motor is advantageous when very high precisiondynamic positioning is required andif the application is not cost sensitive.應用對成本不敏感。

霍爾傳感器用于換向

在一個BLDC電機使用三個分離的霍爾傳感器/開關產生UVW信號基于傳感器的安裝位置，無論是在定子繞組，或組裝在小PCB上，0?，120?和240?，位置相對轉子永磁體。在某些情況下，一個磁極環連接到軸可以用。圖1的左邊顯示了三個霍爾傳感器/開關的機械位置，resulting UVW signals generated. The positionaccuracy of the UVW signals in relation用于UVW信號的產生。UVW信號定位精度與關的to the actual rotor position轉子實際位置depends on the mounting取決于安裝tolerances and matching of公差與配合霍爾傳感器/開關的靈敏度和穩定性。磁場變化很多，由于a lotover temperature， rotor超溫，轉子速度和操作壽命（永磁老化），位置誤差很容易累加to +/-3? or more.+/ - 3?或更多。

另一種方法使用四個集成霍爾傳感器并且信號調理生成正弦/余弦信號，其中在360?

選擇磁/光學電機編碼

圖 1： BLDC電機位置檢測的選擇用于換向

現代混合信號集成的研究進展，讓霍爾陣列加上所有的正弦/余弦信號調理和插值用于絕對位置，能夠在一個編碼器IC集成。代替the threediscrete Hall sensor/switches， a single三個分離的霍爾傳感器/開關，一個單一的5x5mm封裝可以組裝在同一個PCB （see igure 1）.PCB上（參圖1）。

該Z信號標志轉子的零位置，允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置，control or motion control system.在電機控制和運動控制系統。

從絕對位置也可以產生增量ABZ信號可用于監測快速位置變化，以非常低的延遲。圖2顯示了上/下AB信號編碼，用于增量操作。當電機的方向反轉AB信號改變其相移。該Z信號標志轉子的零位置，允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置，control or motion controlsystem.在電機控制或運動控制系統。

圖2： 通過正弦/余弦產生UVW和ABZ

With a sine/cosineto UVW interpolation用正弦/余弦到UVW，插值unit the commutation signals can be單元的換向信號可以產生兩個，四個或多個磁極BLDC-motor types. In this case eachBLDC電機類型。在這種情況下，每個commutation signal is shifted by 60? in換向信號偏移了60?phase. It can be used to control directly相位。它可以直接控制the BLDC-driver unit for block commutation.

BLDC驅動單元用于塊換向。它也可以通過電機控制器用來產生正弦波換向。一個集成的單芯片磁編碼器通常有多輸出選項，用于電機控制器或高級運動控制器。但進展遠落后于當前的需求。

提出了通過單芯片編碼器集成

單芯片編碼器一體化的進展，使一個完整的“片上系統”具有多個輸出選擇用于BLDC電機。圖3顯示了BLDC電機反饋選項，以iC-MH8作為一個例子。在頂部的UVW其他信號的輸出選項設置，例如絕對位置通過SSI / BiSS接口，

圖3： 絕對磁編碼器電機控制帶輸出選項

芯片上的正弦/余弦信號放大到to 1 Vpp andprovided through a diferential1 Vpp，并且通過一個差分模擬輸出驅動器，用于analogue output driver for external monitoring外部監測或獨立的插補。他們也被用于12位實時正弦數字轉換器/插補器，以一個非常低時間延遲1μs.，小于1μS。

12位提供了一個小于0.1?的分辨率。一個絕對位置可讀出通過串行SSI（同步串行接口）或BiSS接口（雙向同步串行接口）的運動控制器。一個開放標準的SSI / BISS提供高速串行接口，也用于生產線配置。如果需要，集成的RS422線路驅動器支持長電纜到電機或運動控制器。ABZ信號以2MHz的頻率更新并且延遲時間小于the 1μs. The zero position can be programmed in1μS。零位可編程256 steps （1.4?） for the incremental and 192steps256步（1.4?）用于增量，192步（1.8°）用于UVW接口。

也很重要的是要有設置和調理模擬信號的能力。這需要一個高質量編碼器輸出信號。選擇BLDC電機換向磁極設置，可用于各種不同的電機設備類型?？烧{設置存儲在編碼器芯片的RAM并且能夠編程到片內非易失性ROM中，上電后可讀。

光集成也可能

磁性編碼器芯片能夠更好的用于非?？量?，灰塵和嚴格的環境。然而光單片編碼器芯片帶換向輸出通過光學系統集成同樣變為可能。其性能更高一些，但對比表明，兩種技術齊頭并進。圖4顯示了兩個單芯片光學編碼器帶增量和UVW輸出。這里的分辨率定義是碼盤確定的，并且使用三個光學傳感器用于產生UVW。電機的極對數定義是碼盤設計確定的。例如，四個光電二極管陣列可以提供高達20，000CPR用一個直徑33.2mm的碼盤。特殊的封裝如optoQFN符合這個光學解決方案需要。

現在的混合信號集成能力可以提供可靠、高度靈活單片編碼器芯片，并且可配置磁編碼器反饋選項具有12位分辨率。這與傳統的霍爾傳感器/開關系統相比較，具有高性能集成到電機殼體。在光學編碼器帶有集成的UVW輸出選擇，也是單芯片解決方案的發展趨勢。這些趨勢支持增強性能提高電機電子換向的能量效率，通過最好的電機反饋解決方案。

圖 4： 光學單芯片電機編碼器芯片帶UVW換向
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