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

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

关于此作者

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Don Johanneck 是 Digi-Key Electronics 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 Digi-Key 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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