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导言

永磁电机，例如无刷直流 (BLDC) 和永磁同步电机 (PMSM) ，因其可靠性和低成(chéng)本(běn)而(ér)广(guǎng)泛应用于机(jī)器(qì)人(rén)和(hé)工(gōng)业(yè)自(zì)动(dòng)化(huà)领(lǐng)域。它(tā)们(men)具(jù)有(yǒu)高(gāo)零(líng)速(sù)扭(niǔ)矩(ju)，可(kě)用(yòng)作(zuò)伺(cì)服(fú)电(diàn)机(jī)。BLDC 电(diàn)机(jī)通(tōng)过(guò)交(jiāo)替(tì)给(gěi)绕(rào)组(zǔ)通(tōng)电(diàn)来产生旋转磁场以转动转子。准确的转子位置信息对于以正确的幅度和相位给绕组通电至关重要。

无传感器算法使用反电动势 (EMF) 进行位置估计，但低速、高扭矩应用由于反电动势不足而需要专(zhuān)用(yòng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)。本(běn)文比(bǐ)较(jiào)了(le)多(duō)种(zhǒng)转(zhuǎn)子(zi)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)器(qì)。

图(tú) 1 显(xiǎn)示(shì)了(le)带(dài)有(yǒu)转(zhuǎn)子(zi)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)的(de)典(diǎn)型(xíng) BLDC 电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)器(qì)架(jià)构(gòu)。有(yǒu)多(duō)种(zhǒng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)可用于此类位置传感，适当地选择需要对应用和传感器技术有透彻的了解。需要考虑的关键参数包括精度、工作速度范围、安装公差、工作温度、传感器尺寸和形状、外部磁场抗扰度、成本以及信号处理工作量。图 2 显示了电机位置传感技术比较。

图 1：带转子位置传感图的电机控制器

图 2：电机位置传感技术比较

光学编码器

光学编码器由 LED、光电传感器和带有交替透明开口的码盘组成（参见图 3）。码盘上的狭缝切割入射到光电传感器上的光，提供角度信息。光学编码器可以是绝对式（带格雷码输出）或增量式（使用 3 个同心环进行正向/反向和零位检测）。它们以高速和高分辨率运行，但容易受到污染、冲击和振动的影响。由于 LED/光电二极管寿命有限，不建议在长时间运行场景下使用光学编码器，尤其是在恶劣温(wēn)度(dù)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)。

图(tú) 3：光(guāng)学(xué)编(biān)码(mǎ)器(qì) - 绝(jué)对(duì)位(wèi)置(zhì)（左(zuǒ)）和(hé)增(zēng)量(liàng)式(shì)（右(yòu)）

电(diàn)容(róng)编(biān)码(mǎ)器(qì)

电容编码器由 3 个极板组成——发射器、调制器和接收器（参见图 4）。它基于电容与分隔两个带电极板的介电材料成正比的原理工作。在发射器和接收器之间产生电场，转子调制介电常数 (ε)，导致电容发生变化。这会调制发射器和接收器极板之间的电位差。通过使用多个调制轨迹来确定绝对位置。电容编码器提供与光学编码器相似的性能，并且更耐用，但它们对寄生和环境条件敏感，并且集成成本可能很高。

图 4：电容编码器技术

感应式旋转变压器

感应式旋转变压器是(shì)旋(xuán)转(zhuǎn)变(biàn)压(yā)器(qì)，具(jù)有(yǒu) 3 个(gè)线(xiàn)圈(quān)——一(yī)个(gè)励(lì)磁(cí)线(xiàn)圈(quān)（初(chū)级(jí)）加(jiā)上(shàng)两(liǎng)个(gè)正(zhèng)交(jiāo)线(xiàn)圈(quān)（次(cì)级(jí)）。安(ān)装(zhuāng)在(zài)转(zhuǎn)子(zi)上(shàng)的(de)铁(tiě)芯(xīn)耦(ǒu)合(hé)初(chū)级(jí)和(hé)次(cì)级(jí)绕(rào)组(zǔ)（参(cān)见(jiàn)图(tú) 5）。励(lì)磁(cí)线(xiàn)圈(quān)接(jiē)收(shōu)高(gāo)频(pín)交(jiāo)流(liú)信(xìn)号(hào)，在(zài)正(zhèng)交(jiāo)线(xiàn)圈(quān)上(shàng)感(gǎn)应(yīng)出(chū)幅(fú)度(dù)调(diào)制(zhì)电(diàn)压(yā)，这(zhè)些(xiē)电(diàn)压(yā)相(xiāng)位(wèi)差(chà)为(wèi) 90°。通(tōng)过(guò)对(duì)信(xìn)号(hào)进(jìn)行(xíng)整(zhěng)流(liú)并(bìng)计(jì)算(suàn)其电压比的反正切来获得角度信息。虽然旋转变压器比光学和(hé)电(diàn)容(róng)编(biān)码(mǎ)器(qì)更(gèng)坚(jiān)固(gù)，但(dàn)它(tā)们(men)的(de)高(gāo)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)输(shū)出(chū)能(néng)力(lì)较(jiào)差(chà)，并(bìng)且(qiě)成(chéng)本(běn)高(gāo)、重(zhòng)量(liàng)大(dà)、体(tǐ)积(jī)大(dà)。

图 5：感应式旋转变压器图

感应传感器基于电磁感应工作，并使用 PCB 走线代替线圈绕组。传感元件包括一个传输线圈、两个接收线圈、一个 IC 和一个旋转金属靶（如(rú)图(tú) 6 所(suǒ)示(shì)）。通(tōng)过(guò)将(jiāng)外(wài)部(bù)电(diàn)容(róng)器(qì)连(lián)接(jiē)到(dào)传(chuán)输(shū)线(xiàn)圈(quān)形(xíng)成(chéng) LC 谐(xié)振(zhèn)电(diàn)路，IC 以(yǐ)特(tè)定(dìng)频(pín)率(lǜ)激(jī)活(huó)传(chuán)输(shū)线(xiàn)圈(quān)。靶(bǎ)材(cái)产(chǎn)生(shēng)涡(wō)流(liú)，形(xíng)成(chéng)电(diàn)磁(cí)场(chǎng)，在(zài)接(jiē)收(shōu)线圈中感应出电动势。正弦接收线圈调制感应信号，而另一个（偏置 90°）次级线圈承载余弦信号。IC 使用反正切法计算角度。感应传感器在温度变化、振动和外部(bù)磁(cí)场(chǎng)下(xià)表(biǎo)现(xiàn)良(liáng)好(hǎo)。此(cǐ)外(wài)，它(tā)们可以以比旋转变压器更低的成本集成到更小的空间中。

图 6：感应传感器图

磁传感

磁传感器检测附近磁铁的位置，并用于转子位置传感。通常使用 3 种类型的磁传感器——锁存器、角度传感器和线性器件。锁存器在具有交替极性的特定磁场中动作，可以间隔 120° 放置在电机内部以进行粗略的转子位置检测（参见图 7a）。角度传感器响应偶极磁铁的角度（参见图 7b）。它们针对磁场定向控制 (FOC) 排列中的精确角度信息进行了优化。可以使用反正切函数将正弦和余弦信号转换为角度（参见图 8）。磁传感器成本(běn)低(dī)、紧凑、非接触式且不受污染物影响。两种主要技术是霍尔效应和隧道磁阻 (TMR)。霍尔效应器件已成熟，而 TMR 器件提供更高的分辨率、更低的噪声和更低的功耗。

图 7：转子位置传感器安装 (a) 霍尔效应锁存器

(b) 轴上 (XY) 和轴外 (YZ) 排列的角度传感器

图 8：原始磁场和计算角度

关键磁性和感应式转子位置传感器规格

为使包含角度传感器的 BLDC 电机驱动器正常运行，必须考虑各种参数。传感器应正确编程和校准以实现所需的性能。在使用先进的电机驱动算法（例如 FOC）时，精度至关重要，其中需要精确的转子位置角(jiǎo)度（精度 <1°）。传感器安装选项包括轴端（传感器和磁铁在同一轴上）、轴e（传感器围绕轴，带有环形磁铁）或集成在电机组件内的 3 个锁存器。极数也很重要。电机极对影响电角度计算。机械角度乘以极对数得到电角度，但这也会放大任何角度误差或噪声。高速下角度传感的延迟可能会导致额外的误差。通过了解 RPM 和延迟，可以补偿误差。可调零角度设置补偿内部和外部磁铁之间的对齐挑战。

表 1：用于电机位置传感的角度传感器解决方案

其他重要规格包括电源电压、气隙、磁通密度、工作温度范围和安全要求。仔细考虑这些参数可确保高性能和高效的 BLDC 电机控制。

用于转子位置传感的传感器安装

角度传感器可以轴端放置在 XY 平面中或当机械限制阻止轴端放置时，可以轴侧放置。轴端磁场均匀，无需数字处理即可提供准确的角度信息。轴侧排列由于非线性磁场，通常需要多点校准才能获得相似的精度。

角(jiǎo)度(dù)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)器(qì)中(zhōng)的(de)输(shū)出(chū)协(xié)议(yì)

有(yǒu)多(duō)种(zhǒng)输(shū)出(chū)协(xié)议(yì)可(kě)用(yòng)于(yú)转(zhuǎn)子(zi)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)。线(xiàn)性(xìng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)提(tí)供(gōng)与(yǔ)测(cè)量(liàng)角(jiǎo)度(dù)成(chéng)比(bǐ)例(lì)的(de)输(shū)出(chū)。PWM 输(shū)出(chū)占(zhàn)空(kōng)比(bǐ)范(fàn)围(wéi)为(wèi) 0% 到(dào) 100%，模(mó)拟输出范围为 0 到 5V。微控制器将模拟读数转换为 0 到 360° 的范围，由于延迟和数据转换时间，适用于低速操作。正弦/余弦输出因其成本较低而受到欢迎，使用反正切法计算角度。ABI 协(xié)议(yì)提(tí)供(gōng) 3 个输出——两个相位差为 90° 的脉冲（A 和 B）和一个指示零位的索引脉冲。该协议用于高速操作，但需要在上电时使用索引脉冲来确定绝对位置。角度传感器可以从绝对线性传感器开始，然后切换(huàn)到(dào) ABI 以(yǐ)获(huò)得(de)组(zǔ)合(hé)优(yōu)势(shì)。UVW 输(shū)出(chū)模(mó)拟(nǐ) 3 个(gè)磁(cí)锁(suǒ)存(cún)器(qì)，针(zhēn)对(duì)梯(tī)形(xíng) BLDC 电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)进(jìn)行(xíng)了(le)优(yōu)化(huà)。此(cǐ)外(wài)，传(chuán)感(gǎn)器(qì)可(kě)以(yǐ)通(tōng)过(guò) UART、SPI、I2C 或(huò) SENT 协议提供数字输出。

结论

BLDC 电机控制器需要精确的角度信息以实现最佳效率目标。磁性和感应传感器现在正在取代光学、电容和感应式旋转变压器。它们为先进的电机控制算法提供了更小、更具成本效益的替代方案。角度传感器在单个封装中提供精确的角度信息，性能优于 3 个分立的霍尔效应锁存器，此外它们还提供各种输出协议以满足微控制器要求。