來源 |電子工程師筆記

無刷直流電機

無刷直流電機（或簡稱 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 電機依靠外部控制器來實現(xiàn)換向。簡言之，換向就是切換電機各相中的電流以產(chǎn)生運動的過程。有刷電機是指具有物理電刷的電機，其每轉(zhuǎn)一次可實現(xiàn)兩次換向過程，而 BLDC 電機無電刷配備，因此而得名。由于其設(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。

與傳統(tǒng)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%；沒有電刷物理磨損，因而能減少維護；無論在什么額定速度下都可以獲得平坦的轉(zhuǎn)矩曲線。雖然 BLDC 電機并不是新發(fā)明，但由于需要復(fù)雜控制和反饋電路，所以廣泛采用的進展較為緩慢。然而，由于近期半導(dǎo)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的需求，促使 BLDC 電機在大量應(yīng)用中取代了有刷電機。BLDC 電機在許多行業(yè)找到了市場定位，包括白色家電、汽車、航空航天、消費、醫(yī)療、工業(yè)化自動設(shè)備和儀器儀表等。

隨著行業(yè)朝著需要在更多應(yīng)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(shè)計的基礎(chǔ)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(shè)計事項。在諸多設(shè)計問題中，最重要的一點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(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。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)子永磁體移動電機軸。

圖 1：BLDC 電機六步換向模式

通過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(diào)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(shè)置通過讓一個電壓源用于各種各樣的電機，大大提升了設(shè)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(tǒng)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(xiàn)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(zhuǎn)子的確切位置。預(yù)期和實際位置出現(xiàn)任何非對準或相移可能會導(dǎo)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實現(xiàn)這種反饋，不過最常見的方式是使用霍爾效應(yīng)傳感器、編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。另外，某些應(yīng)用也會依靠無傳感器換向技術(shù)來實現(xiàn)反饋。

位置反饋

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

圖 2：三相橋式驅(qū)動器電路

雖然霍爾效應(yīng)傳感器能使控制器驅(qū)動 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(yīng)傳感器只能在每個電循環(huán)內(nèi)提供角度位置。隨著磁極對數(shù)量的增加，每次機械轉(zhuǎn)動的電循環(huán)數(shù)量也增加，而且隨著 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(wěn)健且完整，BLDC 系統(tǒng)應(yīng)提供實時位置信息，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(zhuǎn)編碼器。通常，除霍爾效應(yīng)傳感器之外，還會在相同的控制反饋回路系統(tǒng)中添加增量編碼器。其中霍爾效應(yīng)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(zhuǎn)、速度和方向。由于霍爾效應(yīng)傳感器僅在每個霍爾狀態(tài)變化時提供新的位置信息，所以其精度只達到每一電力循環(huán)六個狀態(tài)；而對雙極電機而言，僅為每一機械循環(huán)六個狀態(tài)。與能提供分辨率以數(shù)千 PPR（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）計的增量編碼器（可解碼為狀態(tài)變化次數(shù)的四倍）相比，兩者均需的必要性就顯而易見了。

圖 3：六步霍爾效應(yīng)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(yīng)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始提供具有換向輸出的增量編碼器，通常我們簡稱為換向編碼器。這些編碼器經(jīng)過專門設(shè)計，不僅可以提供傳統(tǒng)的正交 A 和 B 通道（以及某些情況下“每轉(zhuǎn)一次”的索引脈沖通道 Z），還可以提供大多數(shù) BLDC 電機驅(qū)動器所需的標準 U、V 和 W 換向信號。這樣一來，電機設(shè)計師就可以省掉同時安裝霍爾效應(yīng)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(zhuǎn)子和定子的位置。這意味著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。

對于光盤上具有固定圖案的光學(xué)編碼器以及必須手動放置的霍爾效應(yīng)傳感器而言，實現(xiàn) BLDC 電機正確對準的過程既反復(fù)、又耗時。對準方法還需要額外的設(shè)備，包括第二個電機和一個示波器。要對準一個光學(xué)編碼器或一組霍爾效應(yīng)傳感器，必須使用第二個電機來反向驅(qū)動 BLDC 電機；然后，當電機在第二個電機的作用下勻速旋轉(zhuǎn)時，使用示波器監(jiān)控三個電機相的反電動勢（也稱之為逆電動勢或反電勢）。編碼器或霍爾效應(yīng)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勢波形進行對照檢查。如果 U/V/W 通道和反電動勢波形之間有任何差異，則必須進行相位應(yīng)調(diào)整。這個過程中，每臺電機將耗費 20 多分鐘的時間，并且需要大量的實驗室設(shè)備進行操作，因此是使用 BLDC 電機的主要煩惱來源。雖然光學(xué)換向編碼器通過僅安裝一項技術(shù)而解決了安裝負擔(dān)，但光學(xué)換向編碼器的實施也具有缺乏多功能性的缺點。因為光學(xué)編碼器使用其光盤中的固定圖案，所以購買之前，電機磁極數(shù)、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解決這兩個問題。該編碼器基于其 AMT 系列產(chǎn)品中采用的專利電容技術(shù)。光學(xué)編碼器采用非常小的 LED，它們發(fā)出的光線透過光盤（帶有特定間隔的槽口），從而生成輸出圖案。AMT 編碼器原理與之類似，但不同之處在于 AMT 編碼器不是通過 LED 傳輸光線，而是傳輸電場。PCB 轉(zhuǎn)子將替換光盤，該轉(zhuǎn)子包含調(diào)節(jié)電場的正弦曲線圖案式金屬跡線。然后，調(diào)制信號的接收端回傳信號到發(fā)射器，此時通過專有 ASIC 將此信號與原始信號進行比較。該技術(shù)與數(shù)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(shè)計包含電容式 ASIC 和板載 MCU 后，編碼器就可以產(chǎn)生數(shù)字輸出。這種方式具有非常重要的作用，因為它能允許用戶按一下按鈕即可按數(shù)字形式設(shè)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(diào)零 AMT31 編碼器。這樣一來，就可以去掉反向驅(qū)動電機或使用示波器查看輸出信號的步驟，同時組裝時間也可大幅減少 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現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。用戶只需連接 AMT31 編碼器與 AMT Viewpoint GUI，從 20 個正交分辨率（最大 4096 PPR）以及 7 個標準磁極對選項（最多 20 個磁極）列表中進行選擇，然后點擊“Program”（編程）即可。這為開發(fā)過程帶來了優(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(shù)的多種電機控制使用單個庫存單位 (SKU)，以提升生產(chǎn)供應(yīng)鏈管理效率。除了每個裝置支持多個分辨率和磁極對數(shù)外，編碼器外殼還易于組裝，同時可提供多種安裝以及多個套管尺寸選擇，以便適應(yīng)常用的電機軸直徑。另外，AMT Viewpoint GUI 還為 AMT31 系列編碼器帶來前所未有的設(shè)計支持。連接到 AMT Viewpoint 時，可以從 AMT31 編碼器下載診斷數(shù)據(jù)并用于避免現(xiàn)場潛在故障以及減少停機時間。

總結(jié)

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。精度增加意味著功率損耗更少、精確度更高，以及能讓終端用戶更好地控制 BLDC 操作。當前，BLDC 電機廣泛已應(yīng)用于多種多樣的領(lǐng)域中，包括外科手術(shù)機械臂、無人駕駛汽車、裝配線自動化等，并且很快將在還未設(shè)想的許多其它領(lǐng)域中獲得一席之地。BLDC 電機市場在不斷增長，對BLDC電機的要求卻始終未變：市場需要低成本、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，AMT31 系列編碼器能夠在安裝過程中節(jié)省寶貴的時間，同時簡化開發(fā)和制造流程。憑借其通用性、幾秒之內(nèi)完成編程和調(diào)零設(shè)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的 BLDC 市場的需求。

審核編輯：何安