CW32电机控制基础--BLDC转子位置传感器介绍

转子位置传感器是检测电机转子位置的传感器，它是换相的重要依据，前面文章说到的转子与定子主磁场的夹角为120°或60°就是通过转子位置传感器来检测的。当然，现在也有很多BLDC电机不安装位置传感器，此时需要用无感位置检测技术计算转子位置。但位置传感器可以为换相线路及时准确的提供转子位置。转子位置传感器的种类很多，有电磁式的、光电式的、磁敏式的等。现在出现在BLDCM或PMSM中最常见的位置传感器是霍尔传感器或光电编码器。下面就这两种传感器进行简要的介绍。

一、 霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，属于磁敏式位置传感器。

霍尔效应原理为：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷截流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由E.H.HALL在1879年发现。

为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。多数BLDC电机在其非驱动端上的定子嵌入三个开关型霍尔传感器。

每当转子磁极经过霍尔传感附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。

图1 霍尔传感器的安装

图1展示了BLDC电机的横截面，转子具有相互交替的南北永磁体磁极。霍尔传感器嵌入在电机的静止部分中。将霍尔传感器嵌入定子的过程很复杂，因为这些霍尔传感器相对转子磁体的位置稍有不对齐，都会在判断转子位置时造成错误。为了简化在定子上安装霍尔传感的过程，有些电机可能除了主转子磁体外，还在转子上安装霍尔传感器磁体，它们的体积比转子磁体小。每当转子转动时，霍尔传感器磁体就会产生和主磁体一样的效果。霍尔传感器通常装在PCB电路板上，固定在非驱动端的外壳盖上。这使得用户可以整体调整所有的霍尔传感器，以便与转子磁体对齐，从而获得最佳性能。

根据霍尔传感器的位置，有两种输出。霍尔传感器输出信号之间的相移可以是60度或120度。电机制造商据此定义控制电机时应遵循的换向顺序。

霍尔传感器需要电源。电压范围可以是4V到24V。所需电流范围为5mA至15mA。设计控制器时，请参见相应的电机技术规范，了解霍尔传感器所用的精确电压和电流范围。霍尔传感器的输出通常采用集电极开路类型。控制器端可能需要上拉电阻。虽然CW32MCU的IO可以配置上拉，但不建议绝大多数的通用MCU省略掉上拉电阻。

下面以US1881霍尔集成电路为例来其介绍工作原理。

US1881是一个双极型霍尔效应的传感器的芯片，供电电压范围为3.5~24V，供电电流为50mA，功耗为100mW，它是有三个引脚：VDD、GND、OUT；VDD和GND为供电电压，OUT是开漏输出的，所以一般在外面要接一个上拉电阻来输出脉冲信号。图2是US1881的典型接线图，Vout输出的是脉冲信号。

直流无刷电机中的霍尔传感器如果是3个120°间隔分布安装，直流无刷电机转动时3个霍尔传感器输出的信号相位互差就为120°电角度，三路霍尔传感器输出信号如图3所示。

图3三路霍尔信号

从图3可以看出，在一个电周期内，三个霍尔信号组合有六种状态，按照霍尔CBA顺序依次为：101,001,011,010,110,100。HALL换相真值表将在后面讲解。

二、 光电编码器

根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，具有较强的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用， 下面就常见的增量式编码器和绝对式编码器进行介绍。

1．增量式光电编码器

增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。

增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图4所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图5所示。

图4增量式光电编码器的组成

图5 增量式光电编码器的输出信号波形

增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。

2．绝对式光电编码器

用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N 条码道。绝对式光电编码器原理如图6所示。

图6绝对式光电编码器原理

绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。

绝对式光电编码器的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。

审核编辑 黄宇