一種更好的 BLDC 電機(jī)通信方法

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

無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)是一種采用直流電源并通過(guò)外部電機(jī)控制器控制實(shí)現(xiàn)電子換向的電機(jī)。不同于有刷電機(jī)，BLDC 依靠外部控制器實(shí)現(xiàn)換向，也就是在電機(jī)相上切換電流以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。有刷電機(jī)具有實(shí)際的電刷，其每旋轉(zhuǎn)一圈可實(shí)現(xiàn)兩次換向過(guò)程，而 BLDC 電機(jī)則無(wú)電刷。由于自身的設(shè)計(jì)特性，無(wú)刷電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)任意數(shù)量的換向磁極對(duì)。本文將回顧 BLDC 電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，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(jī)換向的基礎(chǔ)知識(shí)

最常見(jiàn)的 BLDC 電機(jī)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(duì)。因?yàn)?BLDC 電機(jī)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(dòng)三個(gè)電機(jī)相。為此，需使用電機(jī)控制器在三個(gè)電機(jī)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(zhuǎn)子永磁體推動(dòng)電機(jī)軸（圖 1）。

圖 1：BLDC 電機(jī)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(jī)換向，控制器必須始終獲得關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確信息。自無(wú)刷電機(jī)誕生以來(lái)，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(gè)傳感器。電機(jī)定子中嵌入了檢測(cè)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(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器的輸出一般標(biāo)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(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(jī)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(jī)位置的部分信息，這在需要精確位置反饋才能正常運(yùn)行的系統(tǒng)中會(huì)造成問(wèn)題。

編碼器可提供更高的精度

在當(dāng)今世界，需要無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)對(duì)位置測(cè)量精度的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(wú)刷直流電機(jī)配對(duì)使用。這就給出了一個(gè)具有改進(jìn)型位置反饋的系統(tǒng)，但現(xiàn)在需要電機(jī)制造商在電機(jī)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(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(jī)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(duì)這些參數(shù)（包括極數(shù)、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(cè)試，減少多設(shè)計(jì)中的編碼器 SKU 數(shù)量。

對(duì)齊換向電機(jī)

當(dāng)在電機(jī)上施加電流時(shí)，電機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)，反之，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流。如果旋轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，我們會(huì)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正確對(duì)齊，所產(chǎn)生的換向波形應(yīng)與反電動(dòng)勢(shì)對(duì)齊。傳統(tǒng)上，這將導(dǎo)致一個(gè)反復(fù)過(guò)程，需要用第二臺(tái)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)第一臺(tái)電機(jī)，并需要用示波器觀察波形。這可能會(huì)耗費(fèi)時(shí)間，并增加大制造成本。

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

使用 AMT 容式編碼器幾乎能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)對(duì)齊，且只需要一個(gè)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(duì)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(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形的起始位置。

除了易于對(duì)齊之外，AMT 編碼器的換向信號(hào)與電機(jī)磁極的對(duì)齊也更加精確。將換向編碼器對(duì)齊電機(jī)，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(dāng)，換向波形應(yīng)與電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形完全匹配。然而，這總情況并不是總能實(shí)現(xiàn)的。使用霍爾傳感器或光學(xué)編碼器的典型對(duì)齊范圍是在 ±1 電度。另一方面，AMT 編碼器可達(dá)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(shí)開(kāi)始（上述波形中的第三個(gè)狀態(tài)）；請(qǐng)咨詢電機(jī)制造商，了解相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)圖，以確定在對(duì)齊過(guò)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(méi)有提供的獨(dú)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(yīng)該以何種方式旋轉(zhuǎn)，以使換向信號(hào)前移。通常情況下，換向編碼器安裝在電機(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)后部看），換向信號(hào)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(guò)來(lái)了，現(xiàn)在當(dāng)我們逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)（從電機(jī)后面看），編碼器軸實(shí)際上是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的（從編碼器上自上而下看）。這意味著電機(jī)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(xiàng)的技術(shù)，則需要對(duì)編碼器盤或 U、V、W 通道進(jìn)行物理交換，以完成同樣的任務(wù)。對(duì)于利用多個(gè)具有不同方向要求的無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)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(shì)方向相反（圖片來(lái)源：CUI Devices）

結(jié)語(yǔ)

BLDC 電機(jī)的使用在持續(xù)增長(zhǎng)，如果采用嚴(yán)格的控制回路和高精度位置檢測(cè)反饋，這類電機(jī)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(lái)一直是首選解決方案，但除了與增量編碼器配對(duì)使用外，霍爾傳感器往往無(wú)法提供完整的電機(jī)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(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(jiǎn)單的安裝方式成為市場(chǎng)上最熱門的選擇。如本文所述，對(duì)于即將到來(lái)的 BLDC 電機(jī)項(xiàng)目來(lái)講，在我們基本上了解換向編碼器原理后，就能讓這類編碼器成為一種引人注目的選擇。