使用 BLDC 霍尔传感器作为位置编码器 - 第 1 部分

以下内容旨在帮助解释霍尔传感器用于确定位置、方向和速度的逻辑输出。虽然这种输出可用于电机换向，但本文不涉及 BLDC 电机运行方面的内容。

概览

有些 BLDC（无刷直流）电机配备三个内部霍尔效应传感器，用于向外部电路提供反馈，这有助于精确控制定子中的磁线圈。有些类型的 BLDC 控制器使用电机的固有反电动势，因而无需霍尔效应传感器。这两种情况下，霍尔传感器也可用于精确位置检测。

常见的 BLDC 电机是个人运输工具中使用的电机类型，如电动滑板、悬浮滑板、踏板车和紧凑型自行车。本示例中，自平衡悬浮滑板中通常使用的就是一种直径为 10 英寸的单轴轮毂电机（图 1）。这种类型的电机是重型外转子 BLDC，也就是说轴上安装的定子会在电机外壳旋转时保持静止。

图 1

BLDC 解剖图

本实验中使用的 BLDC 轮毂电机有 27 个电磁定子线圈和 30 个永磁体（也称为 15 个磁极对）（图 2）。许多图都显示霍尔效应传感器都用 U、V 和 W 标记，且以相等的间隔距离（120度）围绕定子线圈放置。传感器等距排列，但大多数位于定子的一侧（图 3）。

图 2

图 3

注意：传感器标记（U、V、W）根据内部导线色码指定。本实验中，传感器标记随机指定。

BLDC 中的神奇数字 3

如图 3 所示，霍尔传感器位于线圈表面的中心位置。任意两个传感器之间的中心跨度为三个线圈，所以相隔角度为 40°。

2 个全线圈 + 2 个半线圈 = 3 个线圈跨度

（360° / 27 个线圈）* 3 个线圈跨度 = 40°

这种配置会产生相同的输出值，就像三个传感器间隔 120° 一样。每个传感器都会穿过磁体的三分之一，使得每个传感器都产生 10 个脉冲。所以，这些传感器每旋转 120° 便会总共输出 30 个脉冲，旋转一整圈则输出 90 个脉冲。

9/27（线圈）= 10/30（磁铁）= 120/360（度）= 30/90（脉冲）= 1/3（一圈）。漂亮！

图 4

注意：脉冲输出为从高到低转换，或从低到高。虽然三个传感器每转共输出 90 个脉冲，但每个传感器共有 15 个高脉冲和 15 个低脉冲（15 个极对），这样会产生 6 个独特的二进制组合（90 个脉冲 / 15 个极对 = 6 个）。具体说明参见图 4。

任何一次从高到低或从低到高的转换完成之后，便可立即确定传感器值。在一个传感器周期中，每个传感器具有一次高转换和一次低转换，因此总共有六次转换和六个二进制组合。由于 30 个磁体间间隔排列 27 个线圈而造成偏移，因此传感器输出绝不会同时全为高电平 (111) 或低电平 (000)。

总结

无论在一次转换之后检查哪一个传感器的输出方波，其余两个传感器中总有一个会尾随，另一个则会前导（一个为高电平，另一个为低电平）。因此，在读取数值时使用哪种传感器输出配置并不重要。唯一受影响的计算是旋转方向。

图 5 中的动画演示展示了每次转换时的传感器输出，以及十个永磁体和三个受检测线圈之间的关系。为提升直观性，省去了未检测的中间线圈。

图 5

其它资源：

使用 BLDC 霍尔传感器作为位置编码器

第 2 部分 – 使用 Digilent Analog Discovery 2 分析仪将 BLDC 霍尔传感器输出可视化

第 3 部分 – 使用 Teensy 3.5 微控制器计算位置、方向和距离