導言

永磁電機，例如無刷直流 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM) ，因其可靠性和低成本而廣泛應用于機器人和工業自動化領域。它們具有高零速扭矩，可用作伺服電機。BLDC 電機通過交替給繞組通電來產生旋轉磁場以轉動轉子。準確的轉子位置信息對于以正確的幅度和相位給繞組通電至關重要。

無傳感器算法使用反電動勢 (EMF) 進行位置估計，但低速、高扭矩應用由于反電動勢不足而需要專用傳感器。本文比較了多種轉子位置傳感器。

圖 1 顯示了帶有轉子位置傳感的典型 BLDC 電機控制器架構。有多種傳感器可用于此類位置傳感，適當地選擇需要對應用和傳感器技術有透徹的了解。需要考慮的關鍵參數包括精度、工作速度范圍、安裝公差、工作溫度、傳感器尺寸和形狀、外部磁場抗擾度、成本以及信號處理工作量。圖 2 顯示了電機位置傳感技術比較。

圖 1：帶轉子位置傳感圖的電機控制器

圖 2：電機位置傳感技術比較

光學編碼器

光學編碼器由 LED、光電傳感器和帶有交替透明開口的碼盤組成（參見圖 3）。碼盤上的狹縫切割入射到光電傳感器上的光，提供角度信息。光學編碼器可以是絕對式（帶格雷碼輸出）或增量式（使用 3 個同心環進行正向/反向和零位檢測）。它們以高速和高分辨率運行，但容易受到污染、沖擊和振動的影響。由于 LED/光電二極管壽命有限，不建議在長時間運行場景下使用光學編碼器，尤其是在惡劣溫度條件下。

圖 3：光學編碼器 - 絕對位置（左）和增量式（右）

電容編碼器

電容編碼器由 3 個極板組成——發射器、調制器和接收器（參見圖 4）。它基于電容與分隔兩個帶電極板的介電材料成正比的原理工作。在發射器和接收器之間產生電場，轉子調制介電常數 (ε)，導致電容發生變化。這會調制發射器和接收器極板之間的電位差。通過使用多個調制軌跡來確定絕對位置。電容編碼器提供與光學編碼器相似的性能，并且更耐用，但它們對寄生和環境條件敏感，并且集成成本可能很高。

圖 4：電容編碼器技術

感應式旋轉變壓器

感應式旋轉變壓器是旋轉變壓器，具有 3 個線圈——一個勵磁線圈（初級）加上兩個正交線圈（次級）。安裝在轉子上的鐵芯耦合初級和次級繞組（參見圖 5）。勵磁線圈接收高頻交流信號，在正交線圈上感應出幅度調制電壓，這些電壓相位差為 90°。通過對信號進行整流并計算其電壓比的反正切來獲得角度信息。雖然旋轉變壓器比光學和電容編碼器更堅固，但它們的高分辨率輸出能力較差，并且成本高、重量大、體積大。

圖 5：感應式旋轉變壓器圖

感應傳感器基于電磁感應工作，并使用 PCB 走線代替線圈繞組。傳感元件包括一個傳輸線圈、兩個接收線圈、一個 IC 和一個旋轉金屬靶（如圖 6 所示）。通過將外部電容器連接到傳輸線圈形成 LC 諧振電路，IC 以特定頻率激活傳輸線圈。靶材產生渦流，形成電磁場，在接收線圈中感應出電動勢。正弦接收線圈調制感應信號，而另一個（偏置 90°）次級線圈承載余弦信號。IC 使用反正切法計算角度。感應傳感器在溫度變化、振動和外部磁場下表現良好。此外，它們可以以比旋轉變壓器更低的成本集成到更小的空間中。

圖 6：感應傳感器圖

磁傳感

磁傳感器檢測附近磁鐵的位置，并用于轉子位置傳感。通常使用 3 種類型的磁傳感器——鎖存器、角度傳感器和線性器件。鎖存器在具有交替極性的特定磁場中動作，可以間隔 120° 放置在電機內部以進行粗略的轉子位置檢測（參見圖 7a）。角度傳感器響應偶極磁鐵的角度（參見圖 7b）。它們針對磁場定向控制 (FOC) 排列中的精確角度信息進行了優化。可以使用反正切函數將正弦和余弦信號轉換為角度（參見圖 8）。磁傳感器成本低、緊湊、非接觸式且不受污染物影響。兩種主要技術是霍爾效應和隧道磁阻 (TMR)。霍爾效應器件已成熟，而 TMR 器件提供更高的分辨率、更低的噪聲和更低的功耗。

圖 7：轉子位置傳感器安裝 (a) 霍爾效應鎖存器

(b) 軸上 (XY) 和軸外 (YZ) 排列的角度傳感器

圖 8：原始磁場和計算角度

關鍵磁性和感應式轉子位置傳感器規格

為使包含角度傳感器的 BLDC 電機驅動器正常運行，必須考慮各種參數。傳感器應正確編程和校準以實現所需的性能。在使用先進的電機驅動算法（例如 FOC）時，精度至關重要，其中需要精確的轉子位置角度（精度 <1°）。傳感器安裝選項包括軸端（傳感器和磁鐵在同一軸上）、軸e（傳感器圍繞軸，帶有環形磁鐵）或集成在電機組件內的 3 個鎖存器。極數也很重要。電機極對影響電角度計算。機械角度乘以極對數得到電角度，但這也會放大任何角度誤差或噪聲。高速下角度傳感的延遲可能會導致額外的誤差。通過了解 RPM 和延遲，可以補償誤差。可調零角度設置補償內部和外部磁鐵之間的對齊挑戰。

表 1：用于電機位置傳感的角度傳感器解決方案

其他重要規格包括電源電壓、氣隙、磁通密度、工作溫度范圍和安全要求。仔細考慮這些參數可確保高性能和高效的 BLDC 電機控制。

用于轉子位置傳感的傳感器安裝

角度傳感器可以軸端放置在 XY 平面中或當機械限制阻止軸端放置時，可以軸側放置。軸端磁場均勻，無需數字處理即可提供準確的角度信息。軸側排列由于非線性磁場，通常需要多點校準才能獲得相似的精度。

角度位置傳感器中的輸出協議

有多種輸出協議可用于轉子位置傳感。線性傳感器提供與測量角度成比例的輸出。PWM 輸出占空比范圍為 0% 到 100%，模擬輸出范圍為 0 到 5V。微控制器將模擬讀數轉換為 0 到 360° 的范圍，由于延遲和數據轉換時間，適用于低速操作。正弦/余弦輸出因其成本較低而受到歡迎，使用反正切法計算角度。ABI 協議提供 3 個輸出——兩個相位差為 90° 的脈沖（A 和 B）和一個指示零位的索引脈沖。該協議用于高速操作，但需要在上電時使用索引脈沖來確定絕對位置。角度傳感器可以從絕對線性傳感器開始，然后切換到 ABI 以獲得組合優勢。UVW 輸出模擬 3 個磁鎖存器，針對梯形 BLDC 電機控制進行了優化。此外，傳感器可以通過 UART、SPI、I2C 或 SENT 協議提供數字輸出。

結論

BLDC 電機控制器需要精確的角度信息以實現最佳效率目標。磁性和感應傳感器現在正在取代光學、電容和感應式旋轉變壓器。它們為先進的電機控制算法提供了更小、更具成本效益的替代方案。角度傳感器在單個封裝中提供精確的角度信息，性能優于 3 個分立的霍爾效應鎖存器，此外它們還提供各種輸出協議以滿足微控制器要求。