多种转子位置传感器的比较

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 电机控制器架构。有多种传感器可用于此类位置传感，适当地选择需要对应用和传感器技术有透彻的了解。需要考虑的关键参数包括精度、工作速度范围、安装公差、工作温度、传感器尺寸和形状、外部磁场抗扰度、成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，但容易受到污染、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对位置。电容编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

感应式旋转变压器

感应式旋转变压器是旋转变压器，具有 3 个线圈——一个励磁线圈（初级）加上两个正交线圈（次级）。安装在转子上的铁芯耦合初级和次级绕组（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。虽然旋转变压器比光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）。通过将外部电容器连接到传输线圈形成 LC 谐振电路，IC 以特定频率激活传输线圈。靶材产生涡流，形成电磁场，在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 6：感应传感器图

磁传感

磁传感器检测附近磁铁的位置，并用于转子位置传感。通常使用 3 种类型的磁传感器——锁存器、角度传感器和线性器件。锁存器在具有交替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。

角度位置传感器中的输出协议

有多种输出协议可用于转子位置传感。线性传感器提供与测量角度成比例的输出。PWM 输出占空比范围为 0% 到 100%，模拟输出范围为 0 到 5V。微控制器将模拟读数转换为 0 到 360° 的范围，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。它们为先进的电机控制算法提供了更小、更具成本效益的替代方案。角度传感器在单个封装中提供精确的角度信息，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。