使用 BLDC 霍爾感測器當作位置編碼器 - 第 1 篇

以下資訊的用意是協助解讀霍爾效應感測器的邏輯輸出，以便判別位置、方向與速度。雖然此輸出可用於馬達換向，但這個 BLDC 馬達操作層面並非本文探討範圍。

概述

有些無刷直流 (BLDC) 馬達搭載三個內部霍爾效應感測器，可提供回授給外部電路，有利於精密控制定子中的磁性線圈。有些類型的 BLDC 控制器 會利用馬達固有的反電動勢，而讓霍爾效應感測器無用武之地。無論何種情況，霍爾感測器亦可用來達到準確的位置感測。

常見的 BLDC 馬達當屬個人運輸工具所用的馬達，例如電動滑板車、平衡車、踏板車以及小型腳踏車。在此範例中，將採用平衡車中常用的 10 吋直徑單軸輪鼓式馬達 (圖 1)。此類型馬達屬於高負載的外轉子 BLDC，代表在軸上安裝的定子會在馬達外罩轉動時維持靜止。

圖 1

BLDC 拆解圖

此實驗所用的 BLDC 輪鼓式馬達採用 27 個電磁定子線圈，以及 30 個永久磁鐵 (亦稱為 15 個極對) (圖 2)。多個圖表指出，霍爾效應感測器標示為 U、V 和 W，以等距離彼此間隔 (120 度) 排列在定子線圈周圍。雖然這些感測器以等距離排列，但絕大多數都位於定子的一側 (圖 3)。

圖 2

圖 3

註：感測器標籤 (U、V、W) 係依據內部電線顏色編碼而指定。在此實驗中，感測器標籤是任意指定的。

BLDC 中的神奇數字 3

如圖 3 所示，霍爾感測器位於線圈面的中間。任意兩個感測器之間的中心跨度為三個線圈，所以相隔角度為 40 度。

2 個完整線圈 + 2 個半線圈 = 3 個線圈跨度

360 度 / 27 個線圈 * 3 個線圈跨度 = 40 度

此配置可達到相同的輸出值，猶如感測器實際間隔 120 度一樣。有三分之一的磁鐵會穿過各個感測器，因此各感測器會產生 10 道脈衝。所有感測器每轉 120 度可提供 30 道脈衝，轉一整圈則可提供 90 道脈衝。

9/27 (線圈) = 10/30 (磁鐵) = 120/360 (度) = 30/90 (脈衝) = 1/3 (圈)。太均勻了！

圖 4

註：脈衝的輸出是從高變為低或從低變為高。雖然所有感測器每轉一圈會輸出 90 道脈衝，但每個感測器共有 15 道高脈衝和 15 道低脈衝 (15 個極對)，這可產生 6 個獨特的二進位組合 (90 道脈衝 / 15 個極對 = 6)。詳情請參見圖 4。

感測器值可在從高至低，或從低至高的轉換後立即判定。在一個感測器週期內，每個感測器都有一個高轉換和一個低轉換，因此一共可產生六個轉換和六個二進位組合。礙於在 30 個磁鐵間有 27 個線圈間隔排列而產生偏移，感測器輸出絕不會同時都是高位 (111) 或低位 (000)。

總結

無論在轉換後要檢查哪一個感測器輸出方波，其餘兩個感測器總有一個處於後緣，一個處於前緣 (一個為高位，另一個為低位)。基於此原因，不管在讀數時使用哪種感測器輸出排列，都不重要。唯一有影響的計算項目是轉動方向。

動態圖 (圖 5) 指出每次轉換時的感測器輸出，以及十個永久磁鐵與三個感測器線圈之間的關係。為了達到圖面清晰，在此將忽略無感測器的中間線圈。

圖 5

其他資源：

使用 BLDC 霍爾感測器當作位置編碼器

第 2 篇 – 使用 Digilent Analog Discovery 2 分析器視覺化呈現 BLDC 霍爾感測器輸出

第 3 篇 – 使用 Teensy 3.5 微控制器計算位置、方向和距離