在本工程简报中，我们将研究安装在无刷直流（BLDC）电机上的旋转编码器。如图1所示，这款Teknic电机曾是现已停产的NXP OM13067套件的一部分。请注意，DigiKey提供多种NXP开发套件，从小型MCSPTE1AK116到大型1千瓦HVP-MC3PH驱动器应有尽有。
正如DigiKey的朋友们所说：“别急着通电，先拆开看看！”
图 1 ：蓝天映照下的蚀刻编码器，具有高分辨率正交槽和同心霍尔模拟相位槽。
编码盘说明
图2展示了电机编码盘的特写图像。蚀刻槽清晰可见，包括几个带绿色点标记的同心槽，以及数百个紧密排列的径向槽。这是一款通用编码器，包含可归类为以下两种的输出信号：
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正交信号带索引脉冲，每转轴旋转一周触发一次
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霍尔效应信号，反映120°电气旋转
图2中用一系列绿点标出了霍尔轨道上的关键位置。对应的二进制序列以橙色显示。如本文后续所示，这种旋转模式可通过逻辑分析仪读取。
技术提示 ：霍尔效应传感器用于检测磁场存在。部分BLDC电机将霍尔传感器嵌入定子绕组之间。从这个位置，传感器可以检测转子永磁体发出的磁场。本款电机采用光学方法生成相应信号。
图 2 ：显示编码器中断盘的近距离特写图像。橙色线条标识了相位槽的过渡点。
测试设置
该电机为三相永磁同步电机。请注意，BLDC电机可作为发电机运行。本示例中使用大型电钻驱动电机，转速约850 RPM，如图3所示。Digilent Analog Discovery Pro (ADP2230)的示波器功能捕获交流波形。该设备还通过逻辑分析仪捕获编码器输出。
图 3 ：电钻驱动BLDC电机的实拍图。测量结果通过Digilent Analog Discovery Pro (ADP2230)设备采集。
正交输出
正交编码器已在技术论坛中探讨过。为避免重复，我将直接推荐您参考这份入门指南。其中包含一个功能全面且简单易懂的大型正交编码器。它通过一对逆向反射传感器生成必要的A/B正交信号。还配备由感应式接近传感器提供的索引输出。
借助先前文章的资料，您应能轻松解读图中所示的正交波形。图4中的索引(I)信号提供了便捷的触发基准。请注意该索引信号每转轴旋转一周出现一次。
图 4 ：逻辑分析仪与示波器同步显示编码器I、A、B正交输出与电机（发电机）三相输出的对应关系。
霍尔效应输出
本技术论坛尚未探讨过应用于无刷直流电机的霍尔效应传感器。目前我们暂不深入讲解霍尔传感器，重点分析图4/5所示霍尔模拟编码器产生的波形。采用"模拟"表述是因为该电机未实际配置霍尔传感器。电机通过光学手段生成完全相同的时序信号。
实验中采用电钻驱动电机旋转。示波器捕获了图5中三相无刷直流电机（作为发电机，电钻为动力源）的两组相间电压。需注意细节：两个探头接地端均连接在T相端子。因此我们观测的是T-S相和T-R相电压。
图4中逻辑分析仪显示编码器输出信号。仔细观察可见S-T相和T-R相电压与示波器T-S/T-R相电压对应，其中一组信号存在相位反转。
关键发现：霍尔传感器输出与转轴物理位置完全同步。这明确揭示了其换向功能——告知电机控制器在准确时刻激活无刷电机相绕组。
或许改日我们将展示如何利用该特性实现无刷电机换向。类比而言，霍尔传感器与三相桥的关系之于无刷电机，犹如换向器之于有刷电机。这两种情况讨论的都是用于改变电流流向、使其与旋转磁场完美匹配的开关。霍尔传感器与三相桥组合在效率和寿命方面具有显著优势。
技术提示 ：在三相系统中常用R、S、T来标识相位。其他命名方式还包括A、B、C以及L1、L2、L3。
霍尔传感器序列
霍尔传感器输出遵循100、101、001、011、010、110的二进制循环序列。该序列首次在图2中被识别，并在图5中再次展示。该模式再次被用于将电周期划分为不同相位。随后用于换向，确保在正确时间激活对应相位绕组。
图 5 ：聚焦120°霍尔传感器信号的波形图注意交流波形与编码器模拟霍尔输出之间的精确时序关系。绿色圆点与图2中的圆点对应。
技术提示 ："电周期"与"机械周期"通过磁极数相关联。该特色电机有 8 个磁极，因此每转一圈机械旋转对应 4 圈电气旋转。例如，在图 3 中，电气周期约为 18 毫秒。将此乘以 4 以确定机械旋转周期。最终的转速约为每分钟 830 转。这接近用于驱动电机的钻头的铭牌转速。
最后的思考
本文介绍了一款安装在无刷直流电机（BLDC motor）上的高性能通用编码器。该编码器提供正交输出信号以及每转一圈一次的索引信号。当与合适的编码器配合使用时，这使得轴位置的监测精度可达十分之一度。该编码器还具有模拟霍尔效应传感器输出的功能。这三个信号可用于电机换向。
请继续关注，我们将探讨如何使用霍尔传感器进行电机换向。
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