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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
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
关于此作者
Don Johanneck 是 DigiKey 的技术内容开发人员，自 2014 年以来一直在该公司工作。他最近刚转岗到现在的职位，负责撰写视频说明和产品内容。Don 通过 DigiKey 奖学金计划获得了北国社区技术学院电子技术和自动化系的应用科学副学士学位。他喜欢无线电控制建模，老式机器修复和修补。
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