【导语】永磁电机，如无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM），因其高可靠性和低成本，在机器人和工业自动化领域得到广泛应用。这些电机需要精确的转子位置信息以实现高效控制。本文探讨了多种用于转子位置传感的技术，包括光学编码器、电容编码器、感应式旋转变压器、感应传感器以及磁传感器。通过比较这些技术的性能、耐用性、成本和应用限制，本文旨在为BLDC电机控制器的设计提供指导。随着磁性和感应传感器技术的不断发展，它们正逐渐取代传统传感器，成为更小、更具成本效益的替代方案。本文将重点介绍这些新型传感器的特点及其在BLDC电机控制中的应用。
导言
永磁电机，例如无刷直流 (BLDC) 和永磁同步电机 (PMSM) ，因其可靠性和低成本而广泛应用于机器人和工业自动化领域。它们具有高零速扭矩，可用作伺服电机。BLDC 电机通过交替给绕组通电来产生旋转磁场以转动转子。准确的转子位置信息对于以正确的幅度和相位给绕组通电至关重要。
无传感器算法使用反电动势 (EMF) 进行位置估计，但低速、高扭矩应用由于反电动势不足而需要专用传感器。本文比较了多种转子位置传感器。
图 1 显示了带有转子位置传感的典型 BLDC 电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)器(qì)架(jià)构(gòu)。有(yǒu)多(duō)种(zhǒng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)可(kě)用(yòng)于(yú)此(cǐ)类(lèi)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)，适(shì)当(dāng)地(de)选(xuǎn)择(zé)需(xū)要(yào)对(duì)应(yīng)用(yòng)和(hé)传(chuán)感(gǎn)器(qì)技(jì)术(shù)有(yǒu)透(tòu)彻(chè)的(de)了(le)解(jiě)。需(xū)要(yào)考(kǎo)虑(lǜ)的(de)关键参(cān)数(shù)包(bāo)括(kuò)精(jīng)度(dù)、工(gōng)作(zuò)速(sù)度(dù)范(fàn)围(wéi)、安(ān)装(zhuāng)公(gōng)差(chà)、工(gōng)作(zuò)温(wēn)度(dù)、传感器尺寸和形状、外部磁场抗扰度、成(chéng)本以及信号处理工作量。图 2 显示了电机位置传感技术比较。
图 1：带转子位置传感图的电机控制器
图 2：电机位置传感技术比较
光学编码器
光学编码器由 LED、光电传感器和带有交替透明开口的码盘组成（参见图 3）。码盘上的狭缝切割入射到光电传感器上的光，提供角度信息。光学编码器可以是绝对式（带格雷码输出）或增量式（使用 3 个同心环进行正向/反向和零位检测）。它们以高速和高分辨率运行，但(dàn)容(róng)易(yì)受(shòu)到(dào)污(wū)染(rǎn)、冲击和振动的影响。由于 LED/光电二极管寿命有限，不建议在长时间运行场景下使用光学编码器，尤其是在恶劣温度条件下。
图 3：光学编码器 - 绝对位置（左）和增量式（右）
电容编码器
电容编码器由 3 个极板组成——发射器、调制器和接收器（参见图 4）。它基于电容与分隔两个带电极板的介电材料成正比的原理工作。在发射器和接收器之间产生电场，转子调制介电常数 (ε)，导致电容发生变化。这会调制发射器和接收器极板之间的电位差。通过使用多个调制轨迹来确定绝(jué)对(duì)位(wèi)置(zhì)。电(diàn)容(róng)编(biān)码器提供与光学编码器相似的性能，并且更耐用，但它们对寄生和环境条件敏感，并且集成成本可能很高。
图 4：电容编码器技术
感(gǎn)应(yīng)式(shì)旋(xuán)转(zhuǎn)变(biàn)压(yā)器(qì)
感(gǎn)应(yīng)式(shì)旋(xuán)转(zhuǎn)变(biàn)压(yā)器(qì)是(shì)旋(xuán)转(zhuǎn)变(biàn)压(yā)器(qì)，具(jù)有(yǒu) 3 个(gè)线(xiàn)圈(quān)——一(yī)个(gè)励(lì)磁(cí)线(xiàn)圈(quān)（初(chū)级(jí)）加(jiā)上(shàng)两(liǎng)个(gè)正(zhèng)交(jiāo)线(xiàn)圈(quān)（次(cì)级(jí)）。安(ān)装(zhuāng)在(zài)转(zhuǎn)子(zi)上(shàng)的(de)铁(tiě)芯(xīn)耦(ǒu)合(hé)初(chū)级(jí)和(hé)次(cì)级(jí)绕(rào)组（参见图 5）。励磁线圈接收高频交流信号，在正交线圈上感应出幅度调制电压，这些电压相位差为 90°。通过对信号进行整流并计算其电压比的反正切来获得角度信息。虽(suī)然(rán)旋(xuán)转(zhuǎn)变(biàn)压(yā)器(qì)比(bǐ)光(guāng)学和电容编码器更坚固，但它们的高分辨率输出能力较差，并且成本高、重量大、体积大。
图 5：感应式旋转变压器图
感应传感器基于电磁感应工作，并使用 PCB 走线代替线圈绕组。传感元件包括一个传输线圈、两个接收线圈、一个 IC 和一个旋转金属靶（如图 6 所示(shì)）。通(tōng)过(guò)将(jiāng)外(wài)部(bù)电(diàn)容(róng)器(qì)连(lián)接(jiē)到(dào)传(chuán)输(shū)线(xiàn)圈(quān)形(xíng)成(chéng) LC 谐(xié)振(zhèn)电(diàn)路，IC 以(yǐ)特(tè)定(dìng)频(pín)率(lǜ)激(jī)活(huó)传(chuán)输(shū)线(xiàn)圈(quān)。靶(bǎ)材(cái)产(chǎn)生(shēng)涡(wō)流(liú)，形(xíng)成(chéng)电(diàn)磁(cí)场(chǎng)，在(zài)接收线圈中感应出电动势。正弦接收线圈调制感应信号，而另一个（偏置 90°）次级线圈承载余弦信号。IC 使用反正切法计算角度。感应传感器在温度变化、振动和外部磁场下表现良好。此外，它们可以以比旋转变压器更低的成本集成到更小的空间中。
图(tú) 6：感(gǎn)应(yīng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)图(tú)
磁(cí)传(chuán)感(gǎn)
磁(cí)传(chuán)感(gǎn)器(qì)检(jiǎn)测(cè)附(fù)近(jìn)磁(cí)铁(tiě)的(de)位(wèi)置(zhì)，并(bìng)用(yòng)于(yú)转(zhuǎn)子(zi)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)。通(tōng)常(cháng)使(shǐ)用(yòng) 3 种(zhǒng)类(lèi)型(xíng)的(de)磁(cí)传(chuán)感(gǎn)器(qì)——锁(suǒ)存(cún)器(qì)、角(jiǎo)度(dù)传(chuán)感(gǎn)器(qì)和(hé)线(xiàn)性(xìng)器(qì)件(jiàn)。锁(suǒ)存(cún)器(qì)在(zài)具(jù)有(yǒu)交(jiāo)替(tì)极性的特定磁场中动作，可以间隔 120° 放置在电机内部以进行粗略的转子位置检测（参见图 7a）。角度传感器响应偶极磁铁的角度（参见图 7b）。它们针对磁场定向控制 (FOC) 排列中的精确角度信息进行了优化。可以使用反正切函数将正弦和余弦信号转换为角度（参见图 8）。磁传感器成本低、紧凑、非接触式且不受污染物影响。两种主要技术是霍尔效应和隧道磁阻 (TMR)。霍尔效应器件已成熟，而 TMR 器件提供更高的分辨率、更低的噪声和更低的功耗。
图 7：转子位置传感器安装 (a) 霍尔效应锁存器
(b) 轴上 (XY) 和轴外 (YZ) 排列的角度传感器
图 8：原始磁场和计算角度
关键磁性和感应式转子位置传感器规格
为使包含角度传感器的 BLDC 电机驱动器正常运行，必须考虑各种参数。传感器应正确编程和校准以实现所需的性能。在使用先进的电机驱动算法（例如 FOC）时，精度至关重要，其中需要精确的转子位置角度（精度 <1°）。传感器安装选项包括轴端（传感器和磁铁在同一轴上）、轴e（传感器围绕轴，带有环形磁铁）或集成在电机组件内的 3 个锁存器。极数也很重要。电机极对影响电角度计算。机械角度乘以极对数得到电角度，但这也会放大任何角度误差或噪声。高速下角度传感的延迟可能会导致额外的误差。通过了解 RPM 和延迟，可以补偿误差。可调零角度设置补偿内部和外部磁铁之间的对齐挑战。
表 1：用于电机位置传感的角度传感器解决方案
其他重要规格包括电源电压、气隙、磁通密度、工作温度范围和安全要求。仔细考虑这些参数可确保高性能和高效的 BLDC 电机控制。
用于转子位置传感的传感器安装
角度传感器可以轴端放置在 XY 平面中或当机械限制阻止轴端放置时，可以轴侧放置。轴端磁场均匀，无需数字处理即可提供准确的角度信息。轴侧排列由于非线性磁场，通常需要多点校准才能获得相似的精度。
角度位置传(chuán)感(gǎn)器(qì)中(zhōng)的(de)输(shū)出(chū)协(xié)议(yì)
有(yǒu)多(duō)种(zhǒng)输(shū)出(chū)协(xié)议(yì)可(kě)用(yòng)于(yú)转(zhuǎn)子(zi)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)。线(xiàn)性(xìng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)提(tí)供(gōng)与(yǔ)测(cè)量(liàng)角(jiǎo)度(dù)成(chéng)比(bǐ)例(lì)的(de)输(shū)出(chū)。PWM 输(shū)出(chū)占(zhàn)空(kōng)比(bǐ)范(fàn)围(wéi)为(wèi) 0% 到(dào) 100%，模(mó)拟(nǐ)输(shū)出(chū)范(fàn)围(wéi)为(wèi) 0 到(dào) 5V。微(wēi)控(kòng)制(zhì)器(qì)将(jiāng)模(mó)拟(nǐ)读(dú)数(shù)转(zhuǎn)换(huàn)为(wèi) 0 到(dào) 360° 的(de)范(fàn)围(wéi)，由于延迟和数据转换时间，适用于低速操作。正弦/余弦输出因其成本较低而受到欢迎，使用反正切法计算角度。ABI 协议提供 3 个输出——两个相位差为 90° 的脉冲（A 和 B）和一个指示零位的索引脉冲。该协议用于高速操作，但需要在上电时使用索引脉冲来确定绝对位置。角度传感器可以从绝对线性传感器开始，然后切换到 ABI 以获得组合优势。UVW 输出模拟 3 个磁锁存器，针对梯形 BLDC 电机控制进行了优化。此外，传感器可以通过 UART、SPI、I2C 或 SENT 协议提供数字输出。
结论
BLDC 电机控制器需要精确的角度信息以实现最佳效率目标。磁性和感应传感器现在正在取代光学、电容和感应式旋转变压器。它们为先进的电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)算(suàn)法(fǎ)提(tí)供(gōng)了(le)更(gèng)小(xiǎo)、更(gèng)具(jù)成(chéng)本(běn)效(xiào)益(yì)的(de)替(tì)代(dài)方(fāng)案(àn)。角(jiǎo)度(dù)传(chuán)感(gǎn)器(qì)在(zài)单(dān)个(gè)封(fēng)装(zhuāng)中(zhōng)提(tí)供(gōng)精确的角度信息，性能优于 3 个分立的霍尔效应锁存器，此外它们还提供各种输出协议以满足微控制器要求。
