一種更好的 BLDC 電機通信方法

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運動控制部門副總裁

無刷直流 (BLDC) 電機是一種采用直流電源并通過外部電機控制器控制實現(xiàn)電子換向的電機。不同于有刷電機，BLDC 依靠外部控制器實現(xiàn)換向，也就是在電機相上切換電流以產(chǎn)生運動的過程。有刷電機具有實際的電刷，其每旋轉(zhuǎn)一圈可實現(xiàn)兩次換向過程，而 BLDC 電機則無電刷。由于自身的設(shè)計特性，無刷電機能夠?qū)崿F(xiàn)任意數(shù)量的換向磁極對。本文將回顧 BLDC 電機的基礎(chǔ)知識，探討其常見換向方法并介紹一種采集位置反饋信息的新解決方案。

BLDC 電動機換向的基礎(chǔ)知識

最常見的 BLDC 電機采用 3 相配置。相數(shù)與定子繞組數(shù)相匹配，而轉(zhuǎn)子磁極數(shù)根據(jù)應(yīng)用需求的不同可以是任意數(shù)量對。因為 BLDC 電機的轉(zhuǎn)子受旋轉(zhuǎn)的定子磁極影響，所以須追蹤定子磁極位置，以有效驅(qū)動三個電機相。為此，需使用電機控制器在三個電機相上生成六步換向模式。這六步（或換向相）移動電磁場，進而使轉(zhuǎn)子永磁體推動電機軸（圖 1）。

圖 1：BLDC 電機的 6 步換向模式:（圖片來源：[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(zhuǎn)子位置的準確信息。自無刷電機誕生以來，霍爾效應(yīng)傳感器就一直是換向反饋的熱門選擇。在典型情況下，3 相控制需要三個傳感器。電機定子中嵌入了檢測轉(zhuǎn)子位置的霍爾效應(yīng)傳感器，這樣就可以切換三相電橋中的晶體管來驅(qū)動電機。三個霍爾效應(yīng)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。雖然霍爾效應(yīng)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(yīng)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(tǒng)中會造成問題。

編碼器可提供更高的精度

在當今世界，需要無刷直流電動機的系統(tǒng)對位置測量精度的要求遠遠高于以往。為此，除了霍爾效應(yīng)傳感器外，可將增量編碼器可與無刷直流電機配對使用。這就給出了一個具有改進型位置反饋的系統(tǒng)，但現(xiàn)在需要電機制造商在電機中添加兩個霍爾傳感器，以及在裝配后增加一個增量編碼器。更好的選擇是忽略霍爾效應(yīng)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，這類器件如 CUI Devices 的 AMT31 或 AMT33 系列器件。[CUI Devices 的換向編碼器]是數(shù)字式器件，可以對這些參數(shù)（包括極數(shù)、分辨率和方向）進行編程。這樣，工程師就能靈活地進行原型開發(fā)和測試，減少多設(shè)計中的編碼器 SKU 數(shù)量。

對齊換向電機

當在電機上施加電流時，電機會旋轉(zhuǎn)，反之，當旋轉(zhuǎn)電機時，就會產(chǎn)生電流。如果旋轉(zhuǎn)無刷直流電動機，我們會看到 3 相的輸出與以下圖 2 所示類似。為使換向編碼器，甚至霍爾效應(yīng)傳感器與無刷直流電動機正確對齊，所產(chǎn)生的換向波形應(yīng)與反電動勢對齊。傳統(tǒng)上，這將導(dǎo)致一個反復(fù)過程，需要用第二臺電機來驅(qū)動第一臺電機，并需要用示波器觀察波形。這可能會耗費時間，并增加大制造成本。

圖 2：換向輸出和電機相位（圖片來源：CUI Devices）

使用 AMT 容式編碼器幾乎能實現(xiàn)瞬時對齊，且只需要一個電源。安裝編碼器后，用戶只需向?qū)?yīng)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，用戶就從根本上設(shè)定了編碼器的換向波形和電機反電動勢波形的起始位置。

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(shè)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(yīng)與電機的反電動勢波形完全匹配。然而，這總情況并不是總能實現(xiàn)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 電度以內(nèi)。AMT 編碼器的波形從 U 和 W 都是高電平時開始（上述波形中的第三個狀態(tài)）；請咨詢電機制造商，了解相應(yīng)的反電動勢圖，以確定在對齊過程中哪些相應(yīng)該通電。

AMT 換向編碼器的方向設(shè)置

除了可編程極數(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沒有提供的獨特功能。簡單地說，通過方向我們能夠知道編碼器的軸應(yīng)該以何種方式旋轉(zhuǎn)，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，當電機逆時針旋轉(zhuǎn)時（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(zhuǎn)過來了，現(xiàn)在當我們逆時針旋轉(zhuǎn)電機時（從電機后面看），編碼器軸實際上是順時針旋轉(zhuǎn)的（從編碼器上自上而下看）。這意味著電機磁極與編碼器磁極的旋轉(zhuǎn)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)，則需要對編碼器盤或 U、V、W 通道進行物理交換，以完成同樣的任務(wù)。對于利用多個具有不同方向要求的無刷直流電機的應(yīng)用來說，這種可編程功能可能特別有用。

圖 3：換向波形與反電動勢方向相反（圖片來源：CUI Devices）

結(jié)語

BLDC 電機的使用在持續(xù)增長，如果采用嚴格的控制回路和高精度位置檢測反饋，這類電機可在許多應(yīng)用中表現(xiàn)出色?；魻栃?yīng)傳感器得益于其低 BOM 成本，多年來一直是首選解決方案，但除了與增量編碼器配對使用外，霍爾傳感器往往無法提供完整的電機位置信息。不過，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(yīng)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、簡單的安裝方式成為市場上最熱門的選擇。如本文所述，對于即將到來的 BLDC 電機項目來講，在我們基本上了解換向編碼器原理后，就能讓這類編碼器成為一種引人注目的選擇。