在本工程簡介中，我們將檢查安裝在無刷直流（BLDC）馬達上的旋轉編碼器。如圖 1 所示，Teknic 馬達是現已停產的 NXP 的 OM13067 套件的一部分。請注意，DigiKey 提供各種 NXP 開發套件，從小型 MCSPTE1AK116 到大型 1 kW HVP-MC3PH 驅動器。
圖 1：藍色天空反射在蝕刻編碼器上，該編碼器具有高解析度正交槽以及同心霍爾模擬相位槽。
編碼器盤描述
圖 2 顯示了馬達編碼器盤的特寫。蝕刻槽清晰可見，包括幾個帶有綠點高亮的同心槽以及數百個間距緊密的徑向排列的槽。這是一個通用編碼器，包含兩個輸出，可歸類為：
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與索引脈衝正交，每軸旋轉一圈發出一次
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霍爾效應反映 120° 電氣旋轉
圖 2 包括一系列綠點，標示霍爾軌道上的不同點。相應的二進制序列以橙色顯示。如本文後面所示，邏輯分析儀可以讀取該旋轉模式。
技術提示：霍爾效應感測器用於偵測磁場的存在。一些 BLDC 馬達將霍爾感測器嵌入定子繞組之間。從這個位置，感測器可以偵測到來自轉子永磁體的磁場。此特色馬達採用光學方法產生對應的訊號。
圖 2：顯示編碼器中斷碟的特寫。橙色線標示了相位槽的轉換點。
測試設定
此特色馬達是具有永久磁鐵的三相同步馬達。回想一下，BLDC 馬達可以作為發電機運作。在此範例中，使用大型鑽頭以大約 850RPM 的速度旋轉電機，如圖 3 所示。Digilent Analog Discovery Pro (ADP2230) 的示波器功能可捕捉交流波形。Digilent 儀器還使用其邏輯分析儀捕獲編碼器輸出。
圖 3：由鑽頭驅動的 BLDC 馬達的圖像。捕捉結果是使用 Digilent Analog Discovery Pro (ADP2230) 捕捉結果是。
正交輸出
正交編碼器已在技術論壇中進行了探討，無須在此重複，您亦可以首先參考這初學者指南。您將在那裡找到一個大而簡單但功能齊全的正交編碼器。它具有一對回射感測器產生的必要的 A 和 B 正交訊號。它還具有由電感式接近感測器提供的索引輸出。
使用先前文章中的資料，您應該能夠毫無困難地解釋圖中所示的正交波形。圖 4 中的索引 (I) 訊號提供了一個方便的觸發器。回想一下，該指數每軸旋轉一圈就會出現一次。
圖 4：邏輯分析儀和示波器顯示編碼器 I、A 和 B 正交輸出與馬達（發電機）三相輸出的關係。
霍爾效應輸出
該技術論壇尚未探討應用於 BLDC 馬達的霍爾效應感測器。現在，我們將跳過對霍爾感測器的完整解釋，而是專注於霍爾模擬編碼器產生的波形，如圖 4 和 5 所示。我們使用模擬，因為特色馬達中沒有霍爾感測器。相反，馬達透過光學方式產生相同的定時訊號。
在我們的實驗中，我們使用鑽頭來旋轉馬達。示波器從我們的三相 BLDC 馬達（用作發電機，以鑽頭為能源）捕獲兩個相間電壓，如圖 5 所示。因此，我們正在觀察 T 到 S 和 T 到 R 相電壓。
圖 4 中的邏輯分析儀展示了編碼器輸出。仔細檢查可發現，S 到 T 和 T 到 R 電壓與示波器 T 到 S 和 T 到 R 相電壓相對應，其中一個訊號存在相位反轉。
作為一個重要的觀察，要認識到霍爾感測器的輸出與軸的物理定位完全一致。這強烈表明了它們換向的目的是通知馬達控制器在正確的時間啟動 BLDC 馬達的相繞組。也許另一天我們將展示如何使用它來換向 BLDC 馬達。打個比喻，霍爾感測器與三相橋耦合對於 BLDC 馬達的作用就如同換向器對於有刷式馬達的作用一樣。在這兩種情況下，我們談論的都是用於改變電流流動以完美匹配旋轉磁場的開關。霍爾感測器與三相橋在效率和壽命方面具有明顯的優勢。
技術提示：R、S 和 T 通常用於識別三相系統中的相位。其他名稱包括 A、B 和 C，以及 L1、L2 和 L3。
霍爾感測器序列
霍爾感測器輸出跟隨 100、101、001、011、010、110 重複的二進位序列。這首先在圖 2 中被識別，並在圖 5 中再次顯示。再次，此模式用於將電氣革命劃分為不同的階段。然後將其用於換向，確保在正確的時間啟動正確的相繞組。
圖 5：集中在 120° 霍爾感測器訊號的波形。請注意交流波形和編碼器模擬霍爾輸出之間的明顯時序關係。綠點與圖 2 中的點相符。
技術提示：「電氣革命」和「機械革命」透過極數相關聯。此馬達有 8 個極，因此每次機械旋轉都有 4 次電氣旋轉。例如，在圖 3 中，電週期約為 18ms。將其乘以 4 即可確定機械旋轉週期。最終的 RPM 約為 830 RPM。這接近用於驅動馬達的鑽頭的名牌轉速。
完結前的感想
本文介紹了一種安裝在 BLDC 馬達上的高效能通用編碼器。編碼器提供正交輸出訊號以及每轉一次的索引。當與適當的編碼器耦合時，可以對軸的位置進行十分之一度的監控。該編碼器還具有模擬霍爾效應感測器輸出。此三重奏可用於馬達換向。
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