為了推動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，可以使用各種類(lèi)型的電機(jī)，例如有刷直流 (DC) 電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC)、交流 (AC) 電機(jī)、通用電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。在這些電機(jī)中，BLDC 電機(jī)具有以下特定優(yōu)勢(shì)：

• 高效率
• 可靠性和長(zhǎng)壽命
• 緊湊的尺寸
• 低噪聲
• 支持各種電機(jī)速度
• 不會(huì)產(chǎn)生火花

BLDC 電機(jī)的諸多優(yōu)勢(shì)使其適用于各種應(yīng)用，這些應(yīng)用包括：無(wú)繩電動(dòng)工具、空調(diào)輸出單元以及樓宇安防系統(tǒng)中的自動(dòng)門(mén)。BLDC 電機(jī)還可用于汽車(chē)中的各種位置，例如滑動(dòng)門(mén)模塊、車(chē)窗模塊、車(chē)頂電機(jī)模塊、雨刮器模塊、座椅位置和舒適模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和泵。

BLDC 換向

為了詳細(xì)了解 BLDC 電機(jī)的工作原理，圖 1-1 顯示了 BLDC 電機(jī)的簡(jiǎn)化模型，該模型使用兩個(gè)磁極（一個(gè)北極和一個(gè)南極）和三個(gè)線(xiàn)圈。在此模型中，轉(zhuǎn)子（電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分）上的永磁體被定子（電機(jī)的靜止部分）上的線(xiàn)圈包圍。磁體的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。線(xiàn)圈將根據(jù)注入其中的電流的方向改變磁極（北或南）。電磁體和永磁體的磁極吸引和排斥作用促使永磁體和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了扭矩。

圖 1-1 BLDC 電機(jī)模型，換向步驟 1

舉例來(lái)說(shuō)，如果磁體位于圖 1-1 中所示的位置，并想要使磁體沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，則向線(xiàn)圈 U 注入電流，使其相當(dāng)于磁體的南極，并向線(xiàn)圈 V 注入電流，使其相當(dāng)于磁體的北極。線(xiàn)圈 U 產(chǎn)生的南極會(huì)排斥永磁體的南極，而線(xiàn)圈 V 產(chǎn)生的北極會(huì)吸引永磁體的南極，從而使永磁體和轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直至達(dá)到圖 1-2 中所示的磁體位置。從圖 1-2 的磁體位置開(kāi)始，向線(xiàn)圈 W 注入電流，使其相當(dāng)于磁體的北極，并向線(xiàn)圈 U 注入電流，繼續(xù)充當(dāng)磁體的南極，從而使轉(zhuǎn)子再次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。為了使磁體和轉(zhuǎn)子連續(xù)作圓周運(yùn)動(dòng)，必須按照特定的順序?qū)㈦娏饕来巫⑷氩煌木€(xiàn)圈中。切換要注入電流的線(xiàn)圈而使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程稱(chēng)為換向。

圖 1-2 BLDC 電機(jī)模型，換向步驟 2

如圖 1-1 和圖 1-2 所示，要注入電流的相應(yīng)線(xiàn)圈和注入電流的極性取決于磁體的當(dāng)前位置。BLDC 換向的工作原理是：首先確定轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)該轉(zhuǎn)子的位置施加磁場(chǎng)，從而使轉(zhuǎn)子按所需方向旋轉(zhuǎn)。確定轉(zhuǎn)子位置的方法有兩種。第一種方法使用位置傳感器。第二種方法是無(wú)傳感器方法，即根據(jù)反電動(dòng)勢(shì) (EMF)（電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電壓）確定位置。電機(jī)生成的反電動(dòng)勢(shì)波形的振幅與電機(jī)速度成正比。

有傳感器換向包括以下優(yōu)勢(shì)：

• 由于電機(jī)生成的反電動(dòng)勢(shì)波形的振幅與電機(jī)速度成正比，因此在低速時(shí)不能使用無(wú)傳感器換向方案，這是因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)太小而無(wú)法測(cè)量以確定轉(zhuǎn)子位置。如果系統(tǒng)在零速度下需要較大的扭矩，則需要使用有傳感器換向。
• 在很高的電機(jī)速度下，使用反電動(dòng)勢(shì)時(shí)很難發(fā)生轉(zhuǎn)換。如果電機(jī)以很高的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使用有傳感器換向來(lái)緩解此問(wèn)題。
• 有傳感器換向相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要像無(wú)傳感器換向那樣的復(fù)雜計(jì)算。

對(duì)于有傳感器換向，可以使用霍爾位置傳感器、編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。在這些器件中，霍爾位置傳感器因其成本相對(duì)較低而廣泛使用。在不同類(lèi)型的霍爾位置傳感器中，霍爾鎖存器用于提供簡(jiǎn)單的六步換向法。使用這些霍爾鎖存器時(shí)，需要南北極交替來(lái)切換器件的輸出，如圖 1-3 所示。

圖 1-3 霍爾鎖存器的輸出

對(duì)于圖 1-3 中所示的鎖存器，只有當(dāng)器件檢測(cè)到磁體南極且感應(yīng)到的磁通密度大于磁通密度工作點(diǎn)（在圖中用 B_OP 表示）時(shí)，輸出才會(huì)被置為低電平。在器件檢測(cè)到磁體北極且感應(yīng)到的磁通密度大于鎖存器的磁通密度釋放點(diǎn)（在圖中用 B_RP 表示）前，輸出將保持低電平狀態(tài)。在沒(méi)有磁輸入的情況下，鎖存器的最后一個(gè)狀態(tài)為有效。

圖 1-4 顯示了使用三個(gè)霍爾鎖存器的有傳感器六步電機(jī)換向控制方案的輸出波形。在此方案中，一次僅驅(qū)動(dòng)兩個(gè)相位，第三個(gè)相位處于高阻態(tài)。在圖中，數(shù)字表示換向步驟。具體而言，步驟 1 與圖 1-1 中所示的狀態(tài)對(duì)應(yīng)，步驟 2 與圖 1-2 中所示的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。圖 1-4 中的霍爾 A、霍爾 B 和霍爾 C 波形對(duì)應(yīng)于不同換向步驟中霍爾鎖存器的輸出。相位 U、相位 V 和相位 W 波形表示要應(yīng)用到相位的波形，以便磁體移動(dòng)到下一個(gè)換向步驟。在圖 1-4 中，“+”表示注入電流以便將南極施加到相位，“-”表示注入反向電流以便將北極施加到相位，而“Z”是指處于高阻態(tài)的相位。該圖顯示了六個(gè)獨(dú)立的霍爾狀態(tài)，其中每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的選項(xiàng)，用于驅(qū)動(dòng)相位以保持電機(jī)旋轉(zhuǎn)。因此，霍爾狀態(tài)可提供有關(guān)如何驅(qū)動(dòng)相位以保持電機(jī)旋轉(zhuǎn)的信息，其中霍爾傳感器的狀態(tài)可用作軟件查找表的索引，用于獲取有關(guān)如何根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置驅(qū)動(dòng)不同相位的信息。

圖 1-4 六步電機(jī)換向控制方案

前面的示例使用 BLDC 電機(jī)的簡(jiǎn)化模型。通常，BLDC 電機(jī)具有的磁極和線(xiàn)圈比圖中顯示的要多。使用的線(xiàn)圈和轉(zhuǎn)子磁極越多，越能有效控制磁體。磁體可使用多個(gè)相鄰的條形磁體，其中相鄰磁體的極性彼此相反。使用的磁體越多，霍爾傳感器在給定時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)也越多，從而減少霍爾傳感器完成狀態(tài)周期所需的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。

應(yīng)放置三個(gè)霍爾位置傳感器，使其各自輸出的角度差 120°。該角度稱(chēng)為電角，它可能與各器件機(jī)械放置的實(shí)際角度不同。從電機(jī)軸的中心，每個(gè)傳感器間距的度數(shù)（機(jī)械角）可設(shè)置為 2/[極數(shù)] × 120°，以產(chǎn)生所需的 120 度電角。

在圖 1-1 和圖 1-2 的簡(jiǎn)化雙極示例中，機(jī)械角和電角相等。但是，對(duì)于磁極數(shù)較多的系統(tǒng)，由于磁極數(shù)增加，電角和機(jī)械角不相等，從而縮短了霍爾輸出狀態(tài)的周期時(shí)間。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，假設(shè)系統(tǒng)中有 12 個(gè)磁極（6 個(gè)北極和 6 個(gè)南極）。為了使 12 磁極系統(tǒng)中的霍爾鎖存器之間實(shí)現(xiàn) 120 度電氣隔離，可以放置霍爾位置傳感器，使其之間的機(jī)械角為 ±20 度。

BLDC 電機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

圖 1-5 顯示了 BLDC 電機(jī)控制的系統(tǒng)方案。三個(gè)半橋電路用于將電機(jī)各相連接到 VCC 或 GND，從而在線(xiàn)圈中注入電流，以便為不同相位創(chuàng)建必要的磁場(chǎng)。在此系統(tǒng)中，使用電機(jī)控制器來(lái)指示換向?？刂破骺梢允俏⒖刂破鳌PGA、DSP、數(shù)字狀態(tài)機(jī)或純模擬電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于實(shí)現(xiàn)控制塊與半橋電路連接，從而允許電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)半橋電路來(lái)指示換向。霍爾位置傳感器向電機(jī)控制器提供轉(zhuǎn)子位置信息，供電機(jī)控制器用于確定應(yīng)如何驅(qū)動(dòng)半橋電路。作為圖 1-5 中所示系統(tǒng)架構(gòu)的替代方案，某些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有集成半橋電路，因此無(wú)需使用圖中所示的外部半橋電路。

圖 1-5 用于 BLDC 電機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)

為 BLDC 電機(jī)換向選擇合適的霍爾鎖存器

通常根據(jù)以下規(guī)格選擇用于 BLDC 換向的合適霍爾鎖存器：

• 靈敏度：鎖存器的靈敏度是指 B_OP 和 B_RP 規(guī)格，該規(guī)格會(huì)使暴露于磁體中的鎖存器切換輸出狀態(tài)。鎖存器檢測(cè)到的磁通密度取決于磁體的尺寸、磁性材料以及磁體到傳感器的距離。高靈敏度鎖存器具有低 B_OP 和 B_RP 規(guī)格，支持電機(jī)使用更小的磁體來(lái)創(chuàng)建更緊湊的電機(jī)設(shè)計(jì)。在使用相同磁體的情況下，高靈敏度鎖存器還具有比低靈敏度鎖存器更大的磁體到霍爾傳感器距離。
• 電流消耗：如果應(yīng)用由電池供電，則霍爾位置傳感器應(yīng)具有低電流消耗，以便更大程度延長(zhǎng)電池壽命。
• 工作電壓范圍：由于各種系統(tǒng)具有不同的可用電源電壓，因此應(yīng)選擇一個(gè)在系統(tǒng)電壓范圍內(nèi)工作的霍爾鎖存器。如果系統(tǒng)的可用電源電壓均超出霍爾位置傳感器的工作電壓范圍，則需要一個(gè)額外的電壓穩(wěn)壓器來(lái)生成一個(gè)電壓軌，以便為霍爾位置傳感器供電。
• 開(kāi)漏與推挽輸出：當(dāng)需要使邏輯高電平輸出電壓與霍爾位置傳感器的 VCC 電壓處于不同的電壓電平時(shí)，選擇開(kāi)漏輸出。與開(kāi)漏輸出相比，推挽輸出不需要上拉電阻器，從而減小了解決方案尺寸。
• 頻率帶寬：器件頻率帶寬決定了可檢測(cè)到并轉(zhuǎn)換為輸出的超快速變化磁場(chǎng)，從而確定霍爾鎖存器仍可檢測(cè)到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。
• 抖動(dòng)：霍爾鎖存器的抖動(dòng)是當(dāng)電機(jī)以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出脈沖寬度發(fā)生的變化。抖動(dòng)會(huì)在轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量中引入角度誤差。
• 輸出延遲，刷新周期：輸出延遲定義為磁場(chǎng)超過(guò) B_OP 或 B_RP 閾值的時(shí)間與輸出反映其新值所需的時(shí)間之間的值。在采樣器件中有一個(gè)刷新周期，也稱(chēng)為采樣率，這是器件在采集新磁性采樣之前所需的一段時(shí)間，用于視需要更新輸出。采樣器件往往會(huì)受到較長(zhǎng)的輸出延遲時(shí)間的影響，因?yàn)橛脩?hù)還必須考慮輸入采樣時(shí)的刷新周期以及更新輸出所需的輸出延遲。
• 溫度：如果高溫電機(jī)應(yīng)用采用霍爾傳感器，則霍爾傳感器需要在高溫下運(yùn)行。
• 尺寸：在設(shè)計(jì)緊湊型電機(jī)時(shí)，器件的物理尺寸非常重要。醫(yī)療和牙科領(lǐng)域使用的電池供電型手持式鉆機(jī)是一個(gè)適合使用緊湊型電機(jī)的系統(tǒng)示例。在該系統(tǒng)中，較小的電機(jī)可降低系統(tǒng)的總重量，從而緩解最終用戶(hù)的疲勞和壓力，同時(shí)提供相同的扭矩和電池壽命。因此，較小的霍爾位置傳感器非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢郧擅罘胖迷陔姍C(jī)外殼內(nèi)，而不會(huì)影響電機(jī)設(shè)計(jì)的總直徑。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，下面以 TO-92 和 X2SON 封裝類(lèi)型為例說(shuō)明。傳統(tǒng)的 TO-92 封裝（圖 1-6）圍繞轉(zhuǎn)子的圓周合理布置。對(duì)于內(nèi)部轉(zhuǎn)子電機(jī)設(shè)計(jì)，這通常不是問(wèn)題，因?yàn)槎ㄗ佑凶銐虻目臻g放置霍爾傳感器（未顯示定子）。這種方法的缺點(diǎn)是，它可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)設(shè)計(jì)的直徑更大。在無(wú)槽 BLDC 電機(jī)中，電機(jī)繞組內(nèi)沒(méi)有空間?；魻栁恢脗鞲衅鞯睦硐胛恢檬侵苯臃胖迷陔姍C(jī)上方，在轉(zhuǎn)子軸軸向中心的 PCB 上（圖 1-7）。此配置表明，此封裝類(lèi)型支持開(kāi)發(fā)出更小的電機(jī)設(shè)計(jì)。

有關(guān)所涵蓋的某些鎖存器規(guī)格的更多深入信息，請(qǐng)參閱關(guān)于霍爾效應(yīng)鎖存器規(guī)格的精密實(shí)驗(yàn)室視頻。

圖 1-6 使用 TO-92 霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置

圖 1-7 使用表面貼裝霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置

TMAG5115 是一系列高性能數(shù)字霍爾效應(yīng)鎖存器，旨在實(shí)現(xiàn)高性能。該器件可為需要高磁精度的系統(tǒng)提供低抖動(dòng)和低輸出延遲。此外，由于電機(jī)系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生高于電源的電壓，因此 TMAG5115 能夠處理 2.5V 的寬輸入電壓、絕對(duì)最大值為 30V。更寬的電壓范圍還允許用戶(hù)在無(wú)需額外穩(wěn)壓器的情況下從主電源線(xiàn)運(yùn)行器件。TMAG5115 還提供 TI 霍爾效應(yīng)鎖存器產(chǎn)品組合中可用的最高頻率帶寬，支持在快速電機(jī)應(yīng)用或具有高磁極數(shù)的電機(jī)中使用傳感器。

DRV5011 是一款數(shù)字霍爾效應(yīng)鎖存器，專(zhuān)為電機(jī)和其他旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。此器件具有高效低壓架構(gòu)，工作電壓范圍為 2.5V 至 5.5V，采用標(biāo)準(zhǔn) SOT-23 封裝以及薄型 X2SON 和 DSBGA (WCSP) 封裝。與 X2SON 相比，DSBGA 封裝的尺寸減少了 58%。表 1-1 顯示了不同封裝的比較。

該器件的數(shù)字輸出是一個(gè)推挽驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需使用外部上拉電阻器，使系統(tǒng)更加緊湊小巧。