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用于BLDC电机控制的位置传感器选择

在某些类别的电机驱动应用中，用户对不可预测、不均匀或不规则的电机行为几乎没有容忍度或根本没有容忍度。虽然这当然不能适用于所有电机驱动的产品——例如电动牙刷或电池供电的玩具，但它们始终密切关注材料清单(BoM)成本，并且几乎总是会接受少量不稳定的电机行为作为最小化电机成本的合理权衡——其他电机驱动应用需要更高水平的操作。

电动工具是一种产品类型的例子，其中可靠和可预测的电机性能是绝对必要的特征。考虑一下电动锯用户在启动时向后跳或产生向前“打嗝”运动的潜在伤害和/或不安-特别是如果他们刚刚在切割中间停止了工具。同样，市场将很快拒绝在每次使用期间以不同扭矩和/或加速度启动的电钻或类似电动工具。

这种对性能至关重要的电机系统的制造商敏锐地意识到用户的需求，并且通常试图通过使用有刷直流电机来满足这些需求，这些电机提供了在启动和管理时保持换向和全扭矩的可靠能力负载变化。然而，与有刷直流电机相比，它的效率相对较低，并且由于机械磨损或化学污染，刷子在其他组件之前失效的固有趋势。

相比之下，无刷直流(BLDC)电机在许多方面都大大优于有刷直流电机：

效率

零电气磨损

清洁操作

BLDC电机控制系统设计人员面临的主要挑战是，当换向器被迫在没有准确和实时的绝对旋转位置数据的情况下运行时，电机会出现打嗝以及扭矩和加速度不一致的问题。过去，绝对位置传感只能通过极其昂贵的传感器获得：适用于大多数电机系统制造商的BoM预算的低成本传感解决方案未能充分满足这一要求。

因此，在电动工具和其他对性能至关重要的终端产品中，高效可靠的BLDC电机技术通常不受青睐。然而，本文建议电动工具制造商和其他有类似要求的制造商可以通过利用半导体产品类型（磁性位置传感器IC）采用BLDC电机，它与简单的磁铁一起提供绝对位置数据。系统成本低，易于组装到电机系统中，并使BLDC电机始终保持最佳换向。

图1：为了保持最大扭矩，换向器必须在转子旋转时通过定子保持与转子磁场正交的磁场。

用于BLDC电机控制的位置传感器选择

BLDC电机控制系统必须提供干净的启动操作、保持连续换向、实现尽可能高的效率并从可用电力中提取最大扭矩。实现所有这些目标的关键是了解转子相对于定子的位置，这些信息使电机控制系统设计人员能够实施稳健的电气驱动管理解决方案（见图1）。

特别是，绝对位置数据的可用性使电机能够从任何位置平稳启动。相比之下，使用离散传感器或其他控制技术的系统可能会在启动时执行跳跃或“打嗝”，以便在开始正常运行之前计算其相对于定子的起始位置。由不准确的位置数据引起的扭矩降低如图2所示。

遗憾的是，迄今为止BLDC电机设计人员可用的最简单、最便宜的位置传感系统无法实现精确的绝对定位。

图2：四极对电机中由于零点偏移导致的转矩降低。

用于换向的反电动势或反电动势位置感测要求电机处于运动状态，以便感应出用于感测的磁场。这意味着反电动势系统没有静态电机的位置数据，除非它之前已被硬驱动到一个对齐点——该操作将导致电机向前或向后移动到这样一个对齐点，独立于用户。并且在失速或卡住之后，必须重复此过程以实现有序的重新启动。在所有情况下，在电机到达换向锁定点之前，在没有关于绝对转子/定子定位的数据的情况下，它将遭受扭矩和输出功率的降低。

图3：霍尔开关、光学编码器和旋转变压器都已广泛用于BLDC电机控制系统，但现在正被磁性位置传感技术所取代。

离散霍尔开关系统通常由三个、五个或更多霍尔传感器组成，这些传感器在电机生产过程中固定在适当的位置（见图3）。放置错误会导致效率或功率损失，因此分立式霍尔传感器系统需要极其精确的组装才能有效工作。每个霍尔传感器还需要自己的信号线，使生产过程更加复杂。更糟糕的是，即使传感器本身固定在绝对位置，它们也无法在整个360°旋转范围内生成绝对位置数据，而仅限于在任何给定位置上最近的霍尔传感器的角度切换响应范围内进行测量。当考虑与角度相关的扭矩损失时，由此产生的位置测量误差可能很大。

光学编码器可以产生绝对位置信息，但这需要在组装过程中将编码器与电机组件进行物理对齐，或者在系统级存储零点信息。这种组件类型最具破坏性的缺点是它可能容易受到灰尘、污垢和其他污染物的影响。除非受到密封外壳的保护，否则污染会随时损害编码器的性能。

旋转变压器能够提供极其精确和准确的位置测量。但是，典型的旋转变压器解决方案（包括旋转变压器单元本身以及附加的模拟和数字支持电路）的高成本在大多数消费类应用中，甚至在工业和其他细分市场的最终产品的电机驱动系统中都是令人望而却步的。

因此，这些位置传感器选项中的每一个都受到以下一个或多个特性的影响：

启动时不可预测/意外的电机运动，用户无法控制

在所有条件下都缺乏准确的绝对位置信息