一種更好的 BLDC 電機通信方法

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動(dòng)控制部門(mén)副總裁

無(wú)刷直流 (BLDC) 電機是一種采用直流電源并通過(guò)外部電機控制器控制實(shí)現電子換向的電機。不同于有刷電機，BLDC 依靠外部控制器實(shí)現換向，也就是在電機相上切換電流以產(chǎn)生運動(dòng)的過(guò)程。有刷電機具有實(shí)際的電刷，其每旋轉一圈可實(shí)現兩次換向過(guò)程，而 BLDC 電機則無(wú)電刷。由于自身的設計特性，無(wú)刷電機能夠實(shí)現任意數量的換向磁極對。本文將回顧 BLDC 電機的基礎知識，探討其常見(jiàn)換向方法并介紹一種采集位置反饋信息的新解決方案。

BLDC 電動(dòng)機換向的基礎知識

最常見(jiàn)的 BLDC 電機采用 3 相配置。相數與定子繞組數相匹配，而轉子磁極數根據應用需求的不同可以是任意數量對。因為 BLDC 電機的轉子受旋轉的定子磁極影響，所以須追蹤定子磁極位置，以有效驅動(dòng)三個(gè)電機相。為此，需使用電機控制器在三個(gè)電機相上生成六步換向模式。這六步（或換向相）移動(dòng)電磁場(chǎng)，進(jìn)而使轉子永磁體推動(dòng)電機軸（圖 1）。

圖 1：BLDC 電機的 6 步換向模式:（圖片來(lái)源：[CUI Devices]）

為了使控制器能夠有效地使電機換向，控制器必須始終獲得關(guān)于轉子位置的準確信息。自無(wú)刷電機誕生以來(lái)，霍爾效應傳感器就一直是換向反饋的熱門(mén)選擇。在典型情況下，3 相控制需要三個(gè)傳感器。電機定子中嵌入了檢測轉子位置的霍爾效應傳感器，這樣就可以切換三相電橋中的晶體管來(lái)驅動(dòng)電機。三個(gè)霍爾效應傳感器的輸出一般標記為 U、V 和 W 通道。遺憾的是，這種位置反饋法有一些缺點(diǎn)。雖然霍爾效應傳感器的 BOM 成本很低，但將這些傳感器集成到 BLDC 中的成本可能是電機總成本的兩倍。此外，控制器只能從霍爾效應傳感器獲得電機位置的部分信息，這在需要精確位置反饋才能正常運行的系統中會(huì )造成問(wèn)題。

編碼器可提供更高的精度

在當今世界，需要無(wú)刷直流電動(dòng)機的系統對位置測量精度的要求遠遠高于以往。為此，除了霍爾效應傳感器外，可將增量編碼器可與無(wú)刷直流電機配對使用。這就給出了一個(gè)具有改進(jìn)型位置反饋的系統，但現在需要電機制造商在電機中添加兩個(gè)霍爾傳感器，以及在裝配后增加一個(gè)增量編碼器。更好的選擇是忽略霍爾效應傳感器，用換向編碼器取代增量編碼器。換向編碼器具有用于精確位置跟蹤的增量輸出，以及與電機的特定磁極配置相匹配的換向輸出，這類(lèi)器件如 CUI Devices 的 AMT31 或 AMT33 系列器件。[CUI Devices 的換向編碼器]是數字式器件，可以對這些參數（包括極數、分辨率和方向）進(jìn)行編程。這樣，工程師就能靈活地進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)和測試，減少多設計中的編碼器 SKU 數量。

對齊換向電機

當在電機上施加電流時(shí)，電機會(huì )旋轉，反之，當旋轉電機時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生電流。如果旋轉無(wú)刷直流電動(dòng)機，我們會(huì )看到 3 相的輸出與以下圖 2 所示類(lèi)似。為使換向編碼器，甚至霍爾效應傳感器與無(wú)刷直流電動(dòng)機正確對齊，所產(chǎn)生的換向波形應與反電動(dòng)勢對齊。傳統上，這將導致一個(gè)反復過(guò)程，需要用第二臺電機來(lái)驅動(dòng)第一臺電機，并需要用示波器觀(guān)察波形。這可能會(huì )耗費時(shí)間，并增加大制造成本。

圖 2：換向輸出和電機相位（圖片來(lái)源：CUI Devices）

使用 AMT 容式編碼器幾乎能實(shí)現瞬時(shí)對齊，且只需要一個(gè)電源。安裝編碼器后，用戶(hù)只需向對應于 AMT 編碼器所需起始位置的那兩相供電，并發(fā)出對齊命令。這樣做，用戶(hù)就從根本上設定了編碼器的換向波形和電機反電動(dòng)勢波形的起始位置。

除了易于對齊之外，AMT 編碼器的換向信號與電機磁極的對齊也更加精確。將換向編碼器對齊電機，只是設置了起始位置（即換向波形的起始位置）。如果操作適當，換向波形應與電機的反電動(dòng)勢波形完全匹配。然而，這總情況并不是總能實(shí)現的。使用霍爾傳感器或光學(xué)編碼器的典型對齊范圍是在 ±1 電度。另一方面，AMT 編碼器可達到更高的精度，通常在 ±0.1 電度以?xún)?。AMT 編碼器的波形從 U 和 W 都是高電平時(shí)開(kāi)始（上述波形中的第三個(gè)狀態(tài)）；請咨詢(xún)電機制造商，了解相應的反電動(dòng)勢圖，以確定在對齊過(guò)程中哪些相應該通電。

AMT 換向編碼器的方向設置

除了可編程極數和分辨率功能外，AMT 系列還為換向應用提供了方向設置——這是大多數其他換向編碼器制造商沒(méi)有提供的獨特功能。簡(jiǎn)單地說(shuō)，通過(guò)方向我們能夠知道編碼器的軸應該以何種方式旋轉，以使換向信號前移。通常情況下，換向編碼器安裝在電機的后軸上。在這種情況下，當電機逆時(shí)針旋轉時(shí)（從電機后部看），換向信號在其狀態(tài)中前移。然而，如果編碼器安裝在前軸上，就根本上把編碼器翻轉過(guò)來(lái)了，現在當我們逆時(shí)針旋轉電機時(shí)（從電機后面看），編碼器軸實(shí)際上是順時(shí)針旋轉的（從編碼器上自上而下看）。這意味著(zhù)電機磁極與編碼器磁極的旋轉方向相反，如下圖 3 所示。至于其他不含這種可編程選項的技術(shù)，則需要對編碼器盤(pán)或 U、V、W 通道進(jìn)行物理交換，以完成同樣的任務(wù)。對于利用多個(gè)具有不同方向要求的無(wú)刷直流電機的應用來(lái)說(shuō)，這種可編程功能可能特別有用。

圖 3：換向波形與反電動(dòng)勢方向相反（圖片來(lái)源：CUI Devices）

結語(yǔ)

BLDC 電機的使用在持續增長(cháng)，如果采用嚴格的控制回路和高精度位置檢測反饋，這類(lèi)電機可在許多應用中表現出色?；魻栃獋鞲衅鞯靡嬗谄涞?BOM 成本，多年來(lái)一直是首選解決方案，但除了與增量編碼器配對使用外，霍爾傳感器往往無(wú)法提供完整的電機位置信息。不過(guò)，CUI Devices 的 AMT 換向編碼器提供了一種多合一解決方案，完全不需要霍爾效應傳感器和增量編碼器。CUI Devices 的 AMT31 或 AMT33 換向編碼器以其靈活的可編程功能、簡(jiǎn)單的安裝方式成為市場(chǎng)上最熱門(mén)的選擇。如本文所述，對于即將到來(lái)的 BLDC 電機項目來(lái)講，在我們基本上了解換向編碼器原理后，就能讓這類(lèi)編碼器成為一種引人注目的選擇。