轉(zhuǎn)子位置傳感器是檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的傳感器，它是換相的重要依據(jù)，前面文章說到的轉(zhuǎn)子與定子主磁場(chǎng)的夾角為120°或60°就是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器來檢測(cè)的。當(dāng)然，現(xiàn)在也有很多BLDC電機(jī)不安裝位置傳感器，此時(shí)需要用無感位置檢測(cè)技術(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。但位置傳感器可以為換相線路及時(shí)準(zhǔn)確的提供轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類很多，有電磁式的、光電式的、磁敏式的等?，F(xiàn)在出現(xiàn)在BLDCM或PMSM中最常見的位置傳感器是霍爾傳感器或光電編碼器。下面就這兩種傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

一、 霍爾傳感器

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，屬于磁敏式位置傳感器。

霍爾效應(yīng)原理為：磁場(chǎng)會(huì)對(duì)位于其中的帶電導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電荷截流子施加一個(gè)垂直于其運(yùn)動(dòng)方向的力，該力會(huì)使正負(fù)電荷分別積聚到導(dǎo)體的兩側(cè)。這在薄而平的導(dǎo)體中尤為明顯。電荷在導(dǎo)體兩側(cè)的積累會(huì)平衡磁場(chǎng)的影響，在導(dǎo)體兩側(cè)建立穩(wěn)定的電勢(shì)差。產(chǎn)生這一電勢(shì)差的過程就叫做霍爾效應(yīng)，由E.H.HALL在1879年發(fā)現(xiàn)。

為了確定按照通電順序哪一個(gè)繞組將得電，知道轉(zhuǎn)子的位置很重要。轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)?；魻杺鞲衅鞣譃榫€性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。多數(shù)BLDC電機(jī)在其非驅(qū)動(dòng)端上的定子嵌入三個(gè)開關(guān)型霍爾傳感器。

每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感附近時(shí)，它們便會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平或低電平信號(hào)，表示北磁極或南磁極正經(jīng)過該傳感器。根據(jù)這三個(gè)霍爾傳感器信號(hào)的組合，就能決定換向的精確順序。

圖1 霍爾傳感器的安裝

圖1展示了BLDC電機(jī)的橫截面，轉(zhuǎn)子具有相互交替的南北永磁體磁極。霍爾傳感器嵌入在電機(jī)的靜止部分中。將霍爾傳感器嵌入定子的過程很復(fù)雜，因?yàn)檫@些霍爾傳感器相對(duì)轉(zhuǎn)子磁體的位置稍有不對(duì)齊，都會(huì)在判斷轉(zhuǎn)子位置時(shí)造成錯(cuò)誤。為了簡(jiǎn)化在定子上安裝霍爾傳感的過程，有些電機(jī)可能除了主轉(zhuǎn)子磁體外，還在轉(zhuǎn)子上安裝霍爾傳感器磁體，它們的體積比轉(zhuǎn)子磁體小。每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器磁體就會(huì)產(chǎn)生和主磁體一樣的效果?；魻杺鞲衅魍ǔＱb在PCB電路板上，固定在非驅(qū)動(dòng)端的外殼蓋上。這使得用戶可以整體調(diào)整所有的霍爾傳感器，以便與轉(zhuǎn)子磁體對(duì)齊，從而獲得最佳性能。

根據(jù)霍爾傳感器的位置，有兩種輸出?；魻杺鞲衅鬏敵鲂盘?hào)之間的相移可以是60度或120度。電機(jī)制造商據(jù)此定義控制電機(jī)時(shí)應(yīng)遵循的換向順序。

霍爾傳感器需要電源。電壓范圍可以是4V到24V。所需電流范圍為5mA至15mA。設(shè)計(jì)控制器時(shí)，請(qǐng)參見相應(yīng)的電機(jī)技術(shù)規(guī)范，了解霍爾傳感器所用的精確電壓和電流范圍?；魻杺鞲衅鞯妮敵鐾ǔ２捎眉姌O開路類型?？刂破鞫丝赡苄枰侠?a target="_blank">電阻。雖然CW32MCU的IO可以配置上拉，但不建議絕大多數(shù)的通用MCU省略掉上拉電阻。

下面以US1881霍爾集成電路為例來其介紹工作原理。

US1881是一個(gè)雙極型霍爾效應(yīng)的傳感器的芯片，供電電壓范圍為3.5~24V，供電電流為50mA，功耗為100mW，它是有三個(gè)引腳：VDD、GND、OUT；VDD和GND為供電電壓，OUT是開漏輸出的，所以一般在外面要接一個(gè)上拉電阻來輸出脈沖信號(hào)。圖2是US1881的典型接線圖，Vout輸出的是脈沖信號(hào)。

直流無刷電機(jī)中的霍爾傳感器如果是3個(gè)120°間隔分布安裝，直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)3個(gè)霍爾傳感器輸出的信號(hào)相位互差就為120°電角度，三路霍爾傳感器輸出信號(hào)如圖3所示。

圖3三路霍爾信號(hào)

從圖3可以看出，在一個(gè)電周期內(nèi)，三個(gè)霍爾信號(hào)組合有六種狀態(tài)，按照霍爾CBA順序依次為：101,001,011,010,110,100。HALL換相真值表將在后面講解。

二、 光電編碼器

根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及復(fù)合式三大類。按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運(yùn)動(dòng)可以借助機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于使用直線式光電編碼器的場(chǎng)合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現(xiàn)小型化，具有較強(qiáng)的環(huán)境適用能力，因而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用， 下面就常見的增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器進(jìn)行介紹。

1．增量式光電編碼器

增量式光電編碼器的特點(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個(gè)位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，其作用是提供一種對(duì)連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，不能夠直接檢測(cè)出軸的絕對(duì)位置信息。一般來說，增量式光電編碼器輸出A、B 兩相互差90°電度角的脈沖信號(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還有用作參考零位的Z 相標(biāo)志（指示）脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。標(biāo)志脈沖通常用來指示機(jī)械位置或?qū)Ψe累量清零。

增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖4所示。碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開1/4 節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°電度角。當(dāng)碼盤隨著被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過碼盤和檢測(cè)光柵上的透過縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)器件就輸出兩組相位相差90°電度角的近似于正弦波的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理，可以得到被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式光電編碼器輸出信號(hào)波形如圖5所示。

圖4增量式光電編碼器的組成

圖5 增量式光電編碼器的輸出信號(hào)波形

增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是：原理構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長(zhǎng)，可達(dá)到幾萬小時(shí)以上；分辨率高；抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，可靠性較高。其缺點(diǎn)是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息。

2．絕對(duì)式光電編碼器

用增量式光電編碼器有可能由于外界的干擾產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，并且在停電或故障停車后無法找到事故前執(zhí)行部件的正確位置。采用絕對(duì)式光電編碼器可以避免上述缺點(diǎn)。絕對(duì)式光電編碼器的基本原理及組成部件與增量式光電編碼器基本相同，也是由光源、碼盤、檢測(cè)光柵、光電檢測(cè)器件和轉(zhuǎn)換電路組成。與增量式光電編碼器不同的是，絕對(duì)式光電編碼器用不同的數(shù)碼來分別指示每個(gè)不同的增量位置，它是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。

這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N 位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N 條碼道。絕對(duì)式光電編碼器原理如圖6所示。

圖6絕對(duì)式光電編碼器原理

絕對(duì)式光電編碼器是利用自然二進(jìn)制、循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）、二-十進(jìn)制等方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)式光電編碼器與增量式光電編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)光電編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。

絕對(duì)式光電編碼器的特點(diǎn)是：可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失；編碼器的精度取決于位數(shù)；最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度比增量式光電編碼器高。

審核編輯 黃宇