分析 | BLDC電機換向最有效方法

來(lái)源 |?電子工程師筆記

無(wú)刷直流電機

無(wú)刷直流電機（或簡(jiǎn)稱(chēng) 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 電機依靠外部控制器來(lái)實(shí)現換向。?簡(jiǎn)言之，換向就是切換電機各相中的電流以產(chǎn)生運動(dòng)的過(guò)程。?有刷電機是指具有物理電刷的電機，其每轉一次可實(shí)現兩次換向過(guò)程，而 BLDC 電機無(wú)電刷配備，因此而得名。?由于其設計特性，無(wú)刷電機能夠實(shí)現任意數量的換向磁極對。

與傳統有刷電機相比，BLDC 電機具有極大的優(yōu)勢。?這種電機的效率通?？商岣?15-20%；沒(méi)有電刷物理磨損，因而能減少維護；無(wú)論在什么額定速度下都可以獲得平坦的轉矩曲線(xiàn)。?雖然 BLDC 電機并不是新發(fā)明，但由于需要復雜控制和反饋電路，所以廣泛采用的進(jìn)展較為緩慢。?然而，由于近期半導體技術(shù)的發(fā)展、永磁體品質(zhì)提升，以及對更高效率不斷增長(cháng)的需求，促使 BLDC 電機在大量應用中取代了有刷電機。BLDC 電機在許多行業(yè)找到了市場(chǎng)定位，包括白色家電、汽車(chē)、航空航天、消費、醫療、工業(yè)化自動(dòng)設備和儀器儀表等。

隨著(zhù)行業(yè)朝著(zhù)需要在更多應用中使用 BLDC 電機的方向發(fā)展，許多工程師不得不將目光投向該技術(shù)。?雖然電機設計的基礎要素仍然適用，但添加外部控制電路也增加了另一系列需考慮的設計事項。?在諸多設計問(wèn)題中，最重要的一點(diǎn)是如何獲取電機換向的反饋。

電機換向

在深入探索 BLDC 電機反饋選項之前，先了解為什么需要它們至關(guān)重要。BLDC 電機可配置為單相、兩相和三相；其中最常用的配置為三相。?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。?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)而使轉子永磁體移動(dòng)電機軸。

圖 1：BLDC 電機六步換向模式

通過(guò)采用這種標準電機換向序列，電機控制器即可利用高頻率脈寬調制 (PWM) 信號，有效降低電機承受的平均電壓，從而改變電機速度。?除此之外，這種設置通過(guò)讓一個(gè)電壓源用于各種各樣的電機，大大提升了設計靈活性，即使直流電壓源大大高出電機額定電壓的情況也不例外。?為了讓此系統保持相對于有刷技術(shù)的效率優(yōu)勢，在電機和控制器之間需要安裝非常嚴格的控制回路。?反饋技術(shù)的重要性就體現在這里；控制器要能保持對電機的精確控制，它必須始終掌握定子相對于轉子的確切位置。?預期和實(shí)際位置出現任何非對準或相移可能會(huì )導致意想不到的情況及性能下降。?針對 BLDC 電機換向可采用許多方式來(lái)實(shí)現這種反饋，不過(guò)最常見(jiàn)的方式是使用霍爾效應傳感器、編碼器或旋轉變壓器。?另外，某些應用也會(huì )依靠無(wú)傳感器換向技術(shù)來(lái)實(shí)現反饋。

位置反饋

自無(wú)刷電機誕生以來(lái)，霍爾效應傳感器一直是實(shí)現換向反饋的主力。?因三相控制僅需要三個(gè)傳感器且單位成本較低，所以單純從 BOM 成本角度來(lái)看，它們往往是實(shí)現換向最經(jīng)濟的選擇。?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)霍爾效應傳感器輸出一般標記為 U、V 和 W 通道。?雖然霍爾效應傳感器能夠有效解決 BLDC 電機換向問(wèn)題，但它們僅僅滿(mǎn)足了 BLDC 系統一半所需。

圖 2：三相橋式驅動(dòng)器電路

雖然霍爾效應傳感器能使控制器驅動(dòng) BLDC 電機，但遺憾的是，其控制僅限于速度和方向。?在三相電機中，霍爾效應傳感器只能在每個(gè)電循環(huán)內提供角度位置。?隨著(zhù)磁極對數量的增加，每次機械轉動(dòng)的電循環(huán)數量也增加，而且隨著(zhù) BLDC 的使用變得更加普及，對精確位置傳感的需求也由此增加。?為確保解決方案穩健且完整，BLDC 系統應提供實(shí)時(shí)位置信息，從而使得控制器不僅可以追蹤速度和方向，還可以追蹤行程距離和角度位置。

為滿(mǎn)足對更嚴格位置信息的需求，常用的解決方案是向 BLDC 電機添加增量式旋轉編碼器。?通常，除霍爾效應傳感器之外，還會(huì )在相同的控制反饋回路系統中添加增量編碼器。?其中霍爾效應傳感器用于電機換向，而編碼器則用于更加精確地追蹤位置、旋轉、速度和方向。?由于霍爾效應傳感器僅在每個(gè)霍爾狀態(tài)變化時(shí)提供新的位置信息，所以其精度只達到每一電力循環(huán)六個(gè)狀態(tài)；而對雙極電機而言，僅為每一機械循環(huán)六個(gè)狀態(tài)。?與能提供分辨率以數千 PPR（每轉脈沖數）計的增量編碼器（可解碼為狀態(tài)變化次數的四倍）相比，兩者均需的必要性就顯而易見(jiàn)了。

圖 3：六步霍爾效應輸出和梯形電機相位

然而，由于電機制造商目前必須將霍爾效應傳感器和增量編碼器都組裝到他們的電機上，所以許多編碼器制造商開(kāi)始提供具有換向輸出的增量編碼器，通常我們簡(jiǎn)稱(chēng)為換向編碼器。?這些編碼器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，不僅可以提供傳統的正交 A 和 B 通道（以及某些情況下“每轉一次”的索引脈沖通道 Z），還可以提供大多數 BLDC 電機驅動(dòng)器所需的標準 U、V 和 W 換向信號。?這樣一來(lái)，電機設計師就可以省掉同時(shí)安裝霍爾效應傳感器和增量編碼器的不必要步驟。

盡管該方法所具有的優(yōu)勢有目共睹，但此方法也做了很大的折衷。?如上文所述，為使 BLDC 電機有效換向，必須掌握轉子和定子的位置。?這意味著(zhù)必須小心謹慎地確保換向編碼器的 U/V/W 通道與 BLDC 電機相位正確對準。

對于光盤(pán)上具有固定圖案的光學(xué)編碼器以及必須手動(dòng)放置的霍爾效應傳感器而言，實(shí)現 BLDC 電機正確對準的過(guò)程既反復、又耗時(shí)。?對準方法還需要額外的設備，包括第二個(gè)電機和一個(gè)示波器。要對準一個(gè)光學(xué)編碼器或一組霍爾效應傳感器，必須使用第二個(gè)電機來(lái)反向驅動(dòng) BLDC 電機；然后，當電機在第二個(gè)電機的作用下勻速旋轉時(shí)，使用示波器監控三個(gè)電機相的反電動(dòng)勢（也稱(chēng)之為逆電動(dòng)勢或反電勢）。?編碼器或霍爾效應傳感器隨后發(fā)出的 U/V/W 信號必須同示波器上的反電動(dòng)勢波形進(jìn)行對照檢查。?如果 U/V/W 通道和反電動(dòng)勢波形之間有任何差異，則必須進(jìn)行相位應調整。?這個(gè)過(guò)程中，每臺電機將耗費 20 多分鐘的時(shí)間，并且需要大量的實(shí)驗室設備進(jìn)行操作，因此是使用 BLDC 電機的主要煩惱來(lái)源。?雖然光學(xué)換向編碼器通過(guò)僅安裝一項技術(shù)而解決了安裝負擔，但光學(xué)換向編碼器的實(shí)施也具有缺乏多功能性的缺點(diǎn)。?因為光學(xué)編碼器使用其光盤(pán)中的固定圖案，所以購買(mǎi)之前，電機磁極數、正交分辨率和電機軸的尺寸等都必須掌握清楚。

圖 4：換向通道和電機相位理想對準

電容式換向編碼器

CUI Inc. 推出的增強型換向編碼器可同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題。該編碼器基于其 AMT 系列產(chǎn)品中采用的專(zhuān)利電容技術(shù)。?光學(xué)編碼器采用非常小的 LED，它們發(fā)出的光線(xiàn)透過(guò)光盤(pán)（帶有特定間隔的槽口），從而生成輸出圖案。AMT 編碼器原理與之類(lèi)似，但不同之處在于 AMT 編碼器不是通過(guò) LED 傳輸光線(xiàn)，而是傳輸電場(chǎng)。PCB 轉子將替換光盤(pán)，該轉子包含調節電場(chǎng)的正弦曲線(xiàn)圖案式金屬跡線(xiàn)。?然后，調制信號的接收端回傳信號到發(fā)射器，此時(shí)通過(guò)專(zhuān)有 ASIC 將此信號與原始信號進(jìn)行比較。?該技術(shù)與數字游標卡尺原理相同，具有極佳的可靠性和精度。

圖 5：電容式編碼器工作原理

AMT31 系列換向編碼器提供增量輸出 A/B/Z 和換向輸出 U/V/W。?設計包含電容式 ASIC 和板載 MCU 后，編碼器就可以產(chǎn)生數字輸出。?這種方式具有非常重要的作用，因為它能允許用戶(hù)按一下按鈕即可按數字形式設置編碼器的零位。?只需將 BLDC 電機鎖定到所需的相位狀態(tài)，并使用 AMT One Touch Zero? 模塊或 AMT Viewpoint??編程 GUI 調零 AMT31 編碼器。?這樣一來(lái)，就可以去掉反向驅動(dòng)電機或使用示波器查看輸出信號的步驟，同時(shí)組裝時(shí)間也可大幅減少 20 分鐘。由于采用了電容技術(shù)，因此正交分辨率和換向輸出可實(shí)現動(dòng)態(tài)調節。?用戶(hù)只需連接 AMT31 編碼器與 AMT Viewpoint GUI，從 20 個(gè)正交分辨率（最大 4096 PPR）以及 7 個(gè)標準磁極對選項（最多 20 個(gè)磁極）列表中進(jìn)行選擇，然后點(diǎn)擊“Program”（編程）即可。?這為開(kāi)發(fā)過(guò)程帶來(lái)了優(yōu)勢，工程師能夠快速、輕松地更改原型樣機，并且還能對不同分辨率和 BLDC 磁極數的多種電機控制使用單個(gè)庫存單位 (SKU)，以提升生產(chǎn)供應鏈管理效率。?除了每個(gè)裝置支持多個(gè)分辨率和磁極對數外，編碼器外殼還易于組裝，同時(shí)可提供多種安裝以及多個(gè)套管尺寸選擇，以便適應常用的電機軸直徑。另外，AMT Viewpoint GUI 還為 AMT31 系列編碼器帶來(lái)前所未有的設計支持。?連接到 AMT Viewpoint 時(shí)，可以從 AMT31 編碼器下載診斷數據并用于避免現場(chǎng)潛在故障以及減少停機時(shí)間。

總結

高精度的嚴格控制回路能讓 BLDC 電機在許多領(lǐng)域發(fā)揮出色的優(yōu)勢。?精度增加意味著(zhù)功率損耗更少、精確度更高，以及能讓終端用戶(hù)更好地控制 BLDC 操作。?當前，BLDC 電機廣泛已應用于多種多樣的領(lǐng)域中，包括外科手術(shù)機械臂、無(wú)人駕駛汽車(chē)、裝配線(xiàn)自動(dòng)化等，并且很快將在還未設想的許多其它領(lǐng)域中獲得一席之地。BLDC 電機市場(chǎng)在不斷增長(cháng)，對BLDC電機的要求卻始終未變：市場(chǎng)需要低成本、高精度位置傳感反饋的高效耐用電機。??當與 BLDC 電機配合使用時(shí)，AMT31 系列編碼器能夠在安裝過(guò)程中節省寶貴的時(shí)間，同時(shí)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)和制造流程。?憑借其通用性、幾秒之內完成編程和調零設置的能力，以及與AMT Viewpoint GUI 的兼容性，AMT31 編碼器很好地切合了快速增長(cháng)的 BLDC 市場(chǎng)的需求。