使用 BLDC 霍尔传感器作为位置编码器 - 第 2 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。

概述

将霍尔效应传感器输出可视化，有助于在项目开发和编程过程中理解和处理信号。要获取输出数据，可能需要使用电源、逻辑分析仪、示波器以及若干指示灯和开关。相比成本更高的设备，基于计算机的系统常常是合适的替代选择。

Digilent Analog Discovery 2 (AD2)

Digilent 基于计算机的 AD2 分析仪 (1286-1117-ND) 使用图形用户界面 (GUI) 来仿真真实器件，如示波器、函数发生器、电源、量表、记录器、LED 指示灯和开关等。用户可以使用可拆卸的引线针座对项目进行电气配置，并且可以保存整个 GUI 配置和设置。以下设置特定于这部分的“BLDC 霍尔传感器作为编码器”项目，并且提供四种可视化传感器输出的方式。

用试验板连接传感器输出和 AD2 输入/输出

准备一块试验板（438-1045-ND 或类似产品），用粘扣带 (3M162604-ND) 将 AD2 模块固定到试验板的左端。使用配套的 USB 电缆将 AD2 连接到计算机，然后给 AD2 接上一个 5 V、2 A 的外部电源（未配备，请使用 102-3425-ND 或类似产品）。使用 0.100 间距的直角排针 (S1121EC-10-ND)，参照 AD2 引线图（如下所示），将 AD2 引线连接到试验板，要从两个正极示波器通道引线开始连接。将 AD2 的 V+ 电源引线连接到下方电源轨上的正极 (+) 侧。将 AD2 的所有接地引线和负极示波器引线连接到下方电源轨上的负极侧。然后使用实芯跳线 (BKWK-3-ND) 完成试验板上所有其他连接，并将上下电源轨的正负两侧分别连接起来（图 1）。

表 1：AD2 引线图（图片来源：Digilent, Inc.）

图 1（图片来源：Digi-Key Electronics）

注意：AD2 示波器限制为使用两个通道来检验三个传感器的输出。不过，示波器与传感器连线的任何组合都可以用来测试。

传感器输出为低电平有效，这是指当触发时，输出连接到负电源轨；而没有触发时，输出为处于浮动状态，此时既不属于正也不属于负。在没有触发时，需要将传感器输出上拉至正电源轨，以建立两个定义的状态，这两个状态在 AD2 示波器中以方波形式显示。在试验板中插入三个 4 KΩ – 8 KΩ 的电阻器，以用作传感器输出的上拉电阻（图 2）。

图 2（图片来源：Digi-Key Electronics）

软件

WaveForms 是实现 AD2 需要用到的可下载软件。完成下载和安装后，选择 Workspace（工作空间）下拉菜单，然后从列表中选择 New（新建）。一个新的工作空间将会打开，且随时可在这里进行配置（图 3）。

图 3（图片来源：Digi-Key Electronics）

注意： 成配置后，保存选项将变为可用状态。

电源：试验板的电源轨需要使用 5 V 电源为传感器供电。在 Waveforms 欢迎页面上，选择 Supplies（电源）选项卡（图 4）。选择停靠/取消停靠图标，使“Supplies”（电源）对话框处于浮动状态。然后调整对话框大小，尽可能占据最小的显示空间。（图 5）。

图 4（图片来源：Digi-Key Electronics）

图 5（图片来源：Digi-Key Electronics）

通过从 Positive Supply (V+)（正电源 (V+)）对应的 Voltage（电压）下拉选择器中选择 5 V 对电源进行配置。通过切换按钮，确保 Negative Supply (V-)（负电源 (V-)）处于 Off（关闭）状态。该按钮应该显示文字“Off”（关闭），且显示红色叉号“X”。通过将 Master Enable（主启用）切换为“On”（开启），启用输出（图 6）。

图 6（图片来源：Digi-Key Electronics）

示波器：使用示波器工具，用户可以直观查看和测量传感器输出波形。在 Waveforms 欢迎页面上，选择 Scope（示波器）选项卡（图 7）。选择停靠/取消停靠图标，使示波器对话框处于浮动状态。然后调整对话框大小，尽可能占据最小的显示空间。

图 7（图片来源：Digi-Key Electronics）

示波器有很多种配置方式，并且拥有广泛的功能供用户选择。对于此项目，按照图 8 中显示的设置，在 WaveForms 示波器窗口中匹配好对话框和配置下拉菜单。确保电源窗口中的电源 Master Enable（主启用）处于开启状态，然后在示波器窗口中选择 Scan（扫描）按钮。手动旋转 BLDC 电机，观察传感器的方波输出在示波器窗口中如何显示（图 9）。

图 8（图片来源：Digi-Key Electronics）

图 9（图片来源：Digi-Key Electronics）

随着电机转速的加快或减慢，注意观察方波频率的变化，以及信号之间的偏移如何保持恒定。交换排针上的引线，观察其余的传感器输出或不同波形组合之间的偏移。使用示波器功能，用户可以查看波形频率和幅度，并进行实时测量。

此时最好保存一下工作空间。从 Waveforms 菜单中，选择 Workspace（工作空间）可显示保存选项。

逻辑分析仪：另一种显示信号关系以及可视化方波间高/低逻辑（1 和 0）的方法是使用逻辑分析仪。

第一步是向试验板中增加一些电路路径和引线，以支持分析仪的功能。在试验板上添加三位针座和跳线，然后将第 15、14 和 13 号数字输入/输出线连接到该针座。添加实芯跳线，将传感器输出与该针座连接起来。请参见图 10 和前文中的 AD2 引线图。

图 10（图片来源：Digi-Key Electronics）

在 Waveforms 欢迎页面上，从左侧的侧边栏功能列表中选择 Logic Analyzer（逻辑分析仪），然后选择绿色的“+”图标，从列表中添加一个数字输入/输出通道。将第 15、14 和 13 号通道添加到该分析仪。选择停靠/取消停靠图标，使逻辑分析仪对话框处于浮动状态。然后调整对话框大小，尽可能占据最小的显示空间。

分析仪有很多种配置方式，并且拥有广泛的功能供用户选择。对于此项目，按照图 11 中显示的设置，在 WaveForms 逻辑分析仪窗口中匹配好对话框和配置下拉菜单。

图 11（图片来源：Digi-Key Electronics）

在分析仪菜单中选择 View（查看），然后选择 Data（数据）以打开数据窗口。将该窗口拖放到计算机显示器上的空白空间。确保电源窗口中的电源 Master Enable（主启用）处于开启状态，然后在逻辑分析仪窗口中选择 Scan（扫描）按钮。手动旋转 BLDC 电机，观察传感器的所有三个方波输出在分析仪窗口中如何显示，以及二进制值在数据窗口中的显示（图 12）。

图 12（图片来源：Digi-Key Electronics）

数据窗口中的二进制值与本教程第 1 部分（参见下面的“其它资源”）中确定的值相符。如果一次旋转电机轮一个步长，可以观察到方波的上升或下降，也可以逐个查看二进制组合（001、101、100、110、010、011）。

静态 I/O：要获得更多的视觉指示，可以为传感器输出的数字通道分配仿真 LED。

在 Waveforms 欢迎页面上，从左侧的侧边栏功能列表中选择 Static I/O（静态 I/O）。选择停靠/取消停靠图标，使静态 I/O 对话框处于浮动状态。然后调整对话框大小，尽可能占据最小的显示空间。

由于每个通道的默认设置都是 LED 指示，因此无需进行配置。手动旋转 BLDC 电机，观察当逻辑分析仪检测到方波的上升沿或下降沿时，LED 如何开启或关闭。注意，LED 状态反映了数据窗口中的二进制组合（图 13）。

图 13（图片来源：Digi-Key Electronics）

此外，也可以将静态 I/O 配置为逻辑开关来控制实际电路。作为本例的一种选择，可以使用直流驱动电机，通过摩擦轮和试验台来驱动 BLDC 电机旋转。在手动操作 BLDC 电机的最简单方法中，只需使用外部电源和固态继电器（SSR，CC1126-ND）（图 14）。将 SSR 控制侧的负极引线连接到项目试验板上的一个负电源轨，然后将 SSR 的正极引线连接到 AD2 7 号数字 I/O 引线。

图 14（图片来源：Digi-Key Electronics）

在“Static I/O”（静态 I/O）窗口中，使用 I/O 编号旁边的下拉选择器，将 DIO 7 配置为推拉开关。将电源设置为小于最大电机输入电压，之后切换 AD2 开关来开关电机。使用外部电源的电压表盘来设置电机转速。通过实现由静态 I/O 通道控制的 SSR，用户能够开关与试验板和 AD2 电源隔离的大量外围设备。

总结

Diligent Analog Discovery 2 或许不具备高端、独立的实验室设备的所有功能，但可用于将很多电子器件和传感器产生的信号可视化。若没有这种直观显示工具，试验者就只能想像电路中的传感和控制信号发生了什么，以及电路如何对这些信号作出响应。

其它资源：

使用 BLDC 霍尔传感器作为位置编码器

第 1 部分 – 带有霍尔效应传感器的 BLDC 轮毂电机的解剖与操作

第 3 部分 – 使用 Teensy 3.5 微控制器计算位置、方向和距离