轉(zhuǎn)子位置傳感器是檢測電機轉(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)子與定子主磁場的夾角為120°或60°就是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器來檢測的。當然，現(xiàn)在也有很多BLDC電機不安裝位置傳感器，此時需要用無感位置檢測技術(shù)計算轉(zhuǎn)子位置。但位置傳感器可以為換相線路及時準確的提供轉(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。現(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行簡要的介紹。

一、 霍爾傳感器

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

霍爾效應原理為：磁場會對位于其中的帶電導體內(nèi)運動的電荷截流子施加一個垂直于其運動方向的力，該力會使正負電荷分別積聚到導體的兩側(cè)。這在薄而平的導體中尤為明顯。電荷在導體兩側(cè)的積累會平衡磁場的影響，在導體兩側(cè)建立穩(wěn)定的電勢差。產(chǎn)生這一電勢差的過程就叫做霍爾效應，由E.H.HALL在1879年發(fā)現(xiàn)。

為了確定按照通電順序哪一個繞組將得電，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傳感器檢測?；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電機在其非驅(qū)動端上的定子嵌入三個開關(guān)型霍爾傳感器。

每當轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感附近時，它們便會發(fā)出一個高電平或低電平信號，表示北磁極或南磁極正經(jīng)過該傳感器。根據(jù)這三個霍爾傳感器信號的組合，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電機的橫截面，轉(zhuǎn)子具有相互交替的南北永磁體磁極?；魻杺鞲衅髑度朐陔姍C的靜止部分中。將霍爾傳感器嵌入定子的過程很復雜，因為這些霍爾傳感器相對轉(zhuǎn)子磁體的位置稍有不對齊，都會在判斷轉(zhuǎn)子位置時造成錯誤。為了簡化在定子上安裝霍爾傳感的過程，有些電機可能除了主轉(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。每當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器磁體就會產(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?；魻杺鞲衅鬏敵鲂盘栔g的相移可以是60度或120度。電機制造商據(jù)此定義控制電機時應遵循的換向順序。

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)計控制器時，請參見相應的電機技術(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是一個雙極型霍爾效應的傳感器的芯片，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上拉電阻來輸出脈沖信號。圖2是US1881的典型接線圖，Vout輸出的是脈沖信號。

直流無刷電機中的霍爾傳感器如果是3個120°間隔分布安裝，直流無刷電機轉(zhuǎn)動時3個霍爾傳感器輸出的信號相位互差就為120°電角度，三路霍爾傳感器輸出信號如圖3所示。

圖3三路霍爾信號

從圖3可以看出，在一個電周期內(nèi)，三個霍爾信號組合有六種狀態(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、絕對式以及復合式三大類。按編碼器運動部件的運動方式來分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運動可以借助機械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運動，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運動方式都有利于使用直線式光電編碼器的場合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實現(xiàn)小型化，具有較強的環(huán)境適用能力，因而在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用， 下面就常見的增量式編碼器和絕對式編碼器進行介紹。

1．增量式光電編碼器

增量式光電編碼器的特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號，其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對于某個基準點的相對位置增量，不能夠直接檢測出軸的絕對位置信息。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（即所謂的兩組正交輸出信號），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時還有用作參考零位的Z 相標志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個標志信號。標志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零。

增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(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，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。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開1/4 節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電度角。當碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測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，電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式光電編碼器輸出信號波形如圖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波形

增量式光電編碼器的優(yōu)點是：原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn)；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。

2．絕對式光電編碼器

用增量式光電編碼器有可能由于外界的干擾產(chǎn)生計數(shù)錯誤，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。采用絕對式光電編碼器可以避免上述缺點。絕對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、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成。與增量式光電編碼器不同的是，絕對式光電編碼器用不同的數(shù)碼來分別指示每個不同的增量位置，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)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應的電平信號，形成二進制數(shù)。

這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N 位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N 條碼道。絕對式光電編碼器原理如圖6所示。

圖6絕對式光電編碼器原理

絕對式光電編碼器是利用自然二進制、循環(huán)二進制（格雷碼）、二-十進制等方式進行光電轉(zhuǎn)換的。絕對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，絕對光電編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。

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

審核編輯 黃宇