作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應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電子換向的電機。不同于有刷電機，BLDC 依靠外部控制器實現換向，也就是在電機相上切換電流以產生運動的過程。有刷電機具有實際的電刷，其每旋轉一圈可實現兩次換向過程，而 BLDC 電機則無電刷。由于自身的設計特性，無刷電機能夠實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 電動機換向的基礎知識
最常見的 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于轉子位置的準確信息。自無刷電機誕生以來，霍爾效應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驅動電機。三個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。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，但現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 的換向編碼器是數字式器件，可以對這些參數（包括極數、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，電機會旋轉，反之，當旋轉電機時，就會產生電流。如果旋轉無刷直流電動機，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，甚至霍爾效應傳感器與無刷直流電動機正確對齊，所產生的換向波形應與反電動勢對齊。傳統上，這將導致一個反復過程，需要用第二臺電機來驅動第一臺電機，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瞬時對齊，且只需要一個電源。安裝編碼器后，用戶只需向對應于 AMT 編碼器所需起始位置的那兩相供電，并發出對齊命令。這樣做，用戶就從根本上設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勢波形完全匹配。然而，這總情況并不是總能實現的。使用霍爾傳感器或光學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。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）；請咨詢電機制造商，了解相應的反電動勢圖，以確定在對齊過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，當電機逆時針旋轉時（從電機后部看），換向信號在其狀態中前移。然而，如果編碼器安裝在前軸上，就根本上把編碼器翻轉過來了，現在當我們逆時針旋轉電機時（從電機后面看），編碼器軸實際上是順時針旋轉的（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，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。對于利用多個具有不同方向要求的無刷直流電機的應用來說，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）
結語
BLDC 電機的使用在持續增長，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用中表現出色。霍爾效應傳感器得益于其低 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。 |
