使用 BLDC 霍爾感測器當作位置編碼器 - 第 2 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。

概覽

視覺化呈現霍爾效應感測器的輸出，有助於在專案開發及編程的過程中理解和處理訊號。要擷取這些資料，可能需要使用電源供應器、邏輯分析器、示波器以及一些指示燈和開關。而電腦化系統的成本較為低廉，通常是合適的替代選擇。

Digilent Analog Discovery 2 (AD2)

Digilent 的 AD2 電腦化分析器 (1286-1117-ND)，使用圖形使用者介面 (GUI) 來模擬實際的元件，例如示波器、函數產生器、電源供應器、儀表、記錄器、LED 指示燈和開關。使用者透過可拆式引線排針座，對專案進行電氣設定，並可儲存整個 GUI 配置和設定值。以下設定只適用於「BLDC 霍爾感測器當作編碼器」專案的第 2 篇，其中包含視覺化呈現感測器輸出的四種不同方法。

使用試驗電路板測試感測器輸出和 AD2 輸入／輸出

使用試驗電路板 438-1045-ND 或類似的產品，以魔鬼氈固定件 (3M162604-ND) 將 AD2 模組固定在試驗電路板的左端。使用隨附的 USB 纜線將 AD2 連接至電腦，隨後將外部的 5 V、2 A 電源供應器連接至 AD2 (未提供；102-3425-ND 或類似產品)。使用直角 0.100 間距排針 (S1121EC-10-ND) 的節段和 AD2 電線引線圖 (見下方)，將 AD2 引線接至試驗電路板，並且從兩個正示波器通道引線開始。將 AD2 V+ 電源引線接至下方電軌的正極 (+)。將所有 AD2 接地引線與負示波器引線接至下方電軌的負極。然後使用實心跳接線 (BKWK-3-ND) 完成其他所有板件的連接，並分別連接上下電軌的正極和負極 (圖 1)。

圖 1：AD2 引線圖 (圖片來源：Digilent, Inc.)

圖 1 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

註：AD2 示波器只限連接兩個通道，以檢查三個感測器輸出。測試示波器與感測器之間的連接時，不管是哪一種連接組合，都可接受。

感測器輸出為低態動作，因此觸發時，此輸出會連接到負電軌。未觸發時，此輸出為浮動狀態，既不是正也不是負。未觸發時，需要將感測器輸出向上拉至正電軌，以建立兩個指定的狀態，這兩個狀態在 AD2 示波器上會顯示為方波。在試驗電路板中插入三個 4 KΩ 至 8 KΩ 的電阻，即可當作感測器輸出的上拉電阻 (圖 2)。

圖 2 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

軟體

WaveForms 是實作 AD2 必須使用的軟體，可從網路上下載。下載並安裝後，選擇 Workspace (工作區) 下拉式清單，然後從清單中選擇 New (新增)。隨後會開啟新的工作區，即可進行設定 (圖 3)。

圖 3 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

註：設定完成後，可使用儲存選項。

電源供應器：試驗電路板的電軌需要 5 V 才能供電給感測器。在 Waveforms 歡迎頁面上選擇 Supplies (電源) 標籤 (圖 4)。選擇固定／解除固定圖示，讓 Supplies (電源) 對話方塊浮動。然後調整方塊的尺寸，將顯示空間縮至最小。(圖 5)。

圖 4 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

圖 5 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

從正電源 (V+) 的 Voltage (電壓) 下拉式清單選擇器中選擇 5 V，對電源進行設定。透過按鈕切換確保負電源 (V-) 為 Off (關)。此按鈕應標明為「Off 」(關)，並顯示紅色「X」圖形。將 Master Enable (主啟用) 切換至「On」(開) 來啟用輸出 (圖 6)。

圖 6 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

示波器：示波器工具能讓使用者目視檢查和測量感測器輸出波形。在 Waveforms 歡迎頁面上選擇 Scope (示波器) 標籤 (圖 7)。選擇固定／解除固定圖示，讓示波器對話方塊浮動。然後調整方塊的尺寸，將顯示空間縮至最小。

圖 7 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

示波器可透過多種方式進行設定，並有許多功能可供使用。針對這個專案，可根據圖 8 中的設定配置 WaveForms 示波器視窗中的對話方塊及設定下拉式清單。確保電源視窗中的電源供應器 Master Enable (主啟用) 已經開啟，然後在示波器視窗中選擇 Scan (掃描) 按鈕。手動轉動 BLDC 馬達，即可在示波器視窗中看到感測器的方波輸出 (圖 9)。

圖 8 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

圖 9 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

將馬達轉速調快或調慢時，請注意方波頻率的變化，以及訊號之間的偏移如何保持不變。交換排針座引腳上的引線，觀察其餘的感測器輸出，或觀察不同波形組合之間的偏移情形。示波器功能可讓使用者查看波形的頻率和振幅，並進行即時測量。

此時是儲存工作區的好時機。在 Waveforms 選單中選擇 Workspace (工作區)，就會出現儲存選項。

邏輯分析器：有另一種方法可觀察訊號關係並視覺化呈現方波之間的高／低邏輯 (1 和 0)，便是使用邏輯分析器。

第一步是為試驗電路板增添一些電路路徑和引線，以支援分析器的功能。在試驗電路板上增添一個三腳位排針座和跳線，然後將數位輸入／輸出線 15、14 和 13 接至排針座。增添實心跳線，將感測器輸出接至排針座。請參見圖 10 和之前提供的 AD2 引線圖。

圖 10 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

在 Waveforms 歡迎頁面的左側邊欄功能清單中選擇 Logic Analyzer (邏輯分析器)，然後選擇綠色的「+」圖示，從清單中加入數位輸入／輸出通道。增添通道 15、14 和 13 至分析器。選擇固定／解除固定圖示，讓邏輯分析器對話方塊浮動。然後調整方塊的尺寸，將顯示空間縮至最小。

分析器可透過多種方式進行設定，並有許多功能可供使用。針對這個專案，根據圖 11 中的設定配置 WaveForms 邏輯分析器視窗中的對話方塊及設定下拉式清單。

圖 11 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

在分析器選單中選擇 View (檢視)，然後選擇 Data (資料) 以開啟資料視窗。將視窗拖曳到電腦監視器上的空白區域。確保電源視窗中的電源供應器 Master Enable (主啟用) 已經開啟，然後在邏輯分析器視窗中選擇 Scan (掃描) 按鈕。手動轉動 BLDC 馬達，即可在分析器視窗中看到感測器全部三個方波輸出，並在資料視窗中看到二進位值 (圖 12)。

圖 12 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

資料視窗中的二進位值，與本教學第 1 篇中確定的值相符 (請參見底下的「其他資源」)。如果轉輪一次轉動一步階，即可觀察到方波的上升或下降，並可逐步行經不同的二進位組合 (001、101、100、110、010、011)。

靜態 I/O：若要提供額外的指示，可以將模擬的 LED 分配給感測器輸出數位通道。

在 Waveforms 歡迎頁面的左側邊欄功能清單中，選擇 Static I/O (靜態 I/O)。選擇固定／解除固定圖示，讓靜態 I/O 對話方塊浮動。然後調整方塊的尺寸，將顯示空間縮至最小。

由於 LED 指示是每個通道的預設設定值，因此不需要進行設定。手動轉動 BLDC 馬達，當邏輯分析器偵測到方波的上升和下降緣時，觀察 LED 的開啟和關閉狀態。請注意，LED 狀態會反映資料視窗中的二進位組合 (圖 13)。

圖 13 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

此外，靜態 I/O 也可設定成邏輯開關，以控制實際的電路。對於此範例，也可以利用 DC 驅動馬達，以摩擦輪和測試台來轉動 BLDC 馬達。要手動操作 BLDC 馬達，最簡單的方法是單純使用外部電源供應器和固態繼電器 (SSR；CC1126-ND) (圖 14)。將來自 SSR 控制側的負引線，連接到本專案試驗電路板上的其中一個負電軌，然後將 SSR 的正引線連接到 AD2 數位 7 I/O 引線。

圖 14 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

在 Static I/O (靜態 I/O) 視窗中，使用 I/O 編號旁邊的下拉式清單選擇器，將 DIO 7 設定成推挽式開關。將電源供應器設定成小於最大馬達輸入電壓後，切換 AD2 開關以啟動和關閉馬達。使用外部電源供應器的電壓刻度盤來設定馬達速度。實作由靜態 I/O 通道控制的 SSR，即可讓使用者開啟和關閉無數個與試驗電路板及 AD2 電源供應器隔離的周邊裝置。

摘要

Diligent Analog Discovery 2 也許不具備高階獨立實驗室設備的所有功能，但能協助視覺化呈現許多電子裝置和感測器產生的訊號。若沒有視覺化工具的幫助，實驗者只能憑空想像電路中的訊號感測和控制情形，以及電路對這些訊號所做的反應。

其他資源：

使用 BLDC 霍爾感測器當作位置編碼器

第 1 篇 – BLDC 輪鼓式馬達搭載霍爾效應感測器的構造與操作

第 3 篇 – 使用 Teensy 3.5 微控制器計算位置、方向和距離