為了推動系統運動，可以使用各種類型的電機，例如有刷直流 (DC) 電機、無刷直流電機 (BLDC)、交流 (AC) 電機、通用電機、步進電機或伺服電機。在這些電機中，BLDC 電機具有以下特定優勢：

• 高效率
• 可靠性和長壽命
• 緊湊的尺寸
• 低噪聲
• 支持各種電機速度
• 不會產生火花

BLDC 電機的諸多優勢使其適用于各種應用，這些應用包括：無繩電動工具、空調輸出單元以及樓宇安防系統中的自動門。BLDC 電機還可用于汽車中的各種位置，例如滑動門模塊、車窗模塊、車頂電機模塊、雨刮器模塊、座椅位置和舒適模塊、發動機風扇和泵。

BLDC 換向

為了詳細了解 BLDC 電機的工作原理，圖 1-1 顯示了 BLDC 電機的簡化模型，該模型使用兩個磁極（一個北極和一個南極）和三個線圈。在此模型中，轉子（電機的旋轉部分）上的永磁體被定子（電機的靜止部分）上的線圈包圍。磁體的運動帶動轉子旋轉。線圈將根據注入其中的電流的方向改變磁極（北或南）。電磁體和永磁體的磁極吸引和排斥作用促使永磁體和轉子轉動，從而產生了扭矩。

舉例來說，如果磁體位于圖 1-1 中所示的位置，并想要使磁體沿順時針方向轉動，則向線圈 U 注入電流，使其相當于磁體的南極，并向線圈 V 注入電流，使其相當于磁體的北極。線圈 U 產生的南極會排斥永磁體的南極，而線圈 V 產生的北極會吸引永磁體的南極，從而使永磁體和轉子順時針旋轉，直至達到圖 1-2 中所示的磁體位置。從圖 1-2 的磁體位置開始，向線圈 W 注入電流，使其相當于磁體的北極，并向線圈 U 注入電流，繼續充當磁體的南極，從而使轉子再次順時針旋轉。為了使磁體和轉子連續作圓周運動，必須按照特定的順序將電流依次注入不同的線圈中。切換要注入電流的線圈而使轉子運動的過程稱為換向。

如圖 1-1 和圖 1-2 所示，要注入電流的相應線圈和注入電流的極性取決于磁體的當前位置。BLDC 換向的工作原理是：首先確定轉子的位置，然后根據該轉子的位置施加磁場，從而使轉子按所需方向旋轉。確定轉子位置的方法有兩種。第一種方法使用位置傳感器。第二種方法是無傳感器方法，即根據反電動勢 (EMF)（電機在旋轉時產生的電壓）確定位置。電機生成的反電動勢波形的振幅與電機速度成正比。

有傳感器換向包括以下優勢：

• 由于電機生成的反電動勢波形的振幅與電機速度成正比，因此在低速時不能使用無傳感器換向方案，這是因為反電動勢太小而無法測量以確定轉子位置。如果系統在零速度下需要較大的扭矩，則需要使用有傳感器換向。
• 在很高的電機速度下，使用反電動勢時很難發生轉換。如果電機以很高的速度轉動，使用有傳感器換向來緩解此問題。
• 有傳感器換向相對簡單，不需要像無傳感器換向那樣的復雜計算。

對于有傳感器換向，可以使用霍爾位置傳感器、編碼器或旋轉變壓器。在這些器件中，霍爾位置傳感器因其成本相對較低而廣泛使用。在不同類型的霍爾位置傳感器中，霍爾鎖存器用于提供簡單的六步換向法。使用這些霍爾鎖存器時，需要南北極交替來切換器件的輸出，如圖 1-3 所示。

對于圖 1-3 中所示的鎖存器，只有當器件檢測到磁體南極且感應到的磁通密度大于磁通密度工作點（在圖中用 B_OP 表示）時，輸出才會被置為低電平。在器件檢測到磁體北極且感應到的磁通密度大于鎖存器的磁通密度釋放點（在圖中用 B_RP 表示）前，輸出將保持低電平狀態。在沒有磁輸入的情況下，鎖存器的最后一個狀態為有效。

圖 1-4 顯示了使用三個霍爾鎖存器的有傳感器六步電機換向控制方案的輸出波形。在此方案中，一次僅驅動兩個相位，第三個相位處于高阻態。在圖中，數字表示換向步驟。具體而言，步驟 1 與圖 1-1 中所示的狀態對應，步驟 2 與圖 1-2 中所示的狀態相對應。圖 1-4 中的霍爾 A、霍爾 B 和霍爾 C 波形對應于不同換向步驟中霍爾鎖存器的輸出。相位 U、相位 V 和相位 W 波形表示要應用到相位的波形，以便磁體移動到下一個換向步驟。在圖 1-4 中，“+”表示注入電流以便將南極施加到相位，“-”表示注入反向電流以便將北極施加到相位，而“Z”是指處于高阻態的相位。該圖顯示了六個獨立的霍爾狀態，其中每個狀態對應一個不同的選項，用于驅動相位以保持電機旋轉。因此，霍爾狀態可提供有關如何驅動相位以保持電機旋轉的信息，其中霍爾傳感器的狀態可用作軟件查找表的索引，用于獲取有關如何根據轉子當前位置驅動不同相位的信息。

前面的示例使用 BLDC 電機的簡化模型。通常，BLDC 電機具有的磁極和線圈比圖中顯示的要多。使用的線圈和轉子磁極越多，越能有效控制磁體。磁體可使用多個相鄰的條形磁體，其中相鄰磁體的極性彼此相反。使用的磁體越多，霍爾傳感器在給定時間內的狀態轉換次數也越多，從而減少霍爾傳感器完成狀態周期所需的轉子旋轉角度。

應放置三個霍爾位置傳感器，使其各自輸出的角度差 120°。該角度稱為電角，它可能與各器件機械放置的實際角度不同。從電機軸的中心，每個傳感器間距的度數（機械角）可設置為 2/[極數] × 120°，以產生所需的 120 度電角。

在圖 1-1 和圖 1-2 的簡化雙極示例中，機械角和電角相等。但是，對于磁極數較多的系統，由于磁極數增加，電角和機械角不相等，從而縮短了霍爾輸出狀態的周期時間。為了說明這一點，假設系統中有 12 個磁極（6 個北極和 6 個南極）。為了使 12 磁極系統中的霍爾鎖存器之間實現 120 度電氣隔離，可以放置霍爾位置傳感器，使其之間的機械角為 ±20 度。

BLDC 電機系統架構

圖 1-5 顯示了 BLDC 電機控制的系統方案。三個半橋電路用于將電機各相連接到 VCC 或 GND，從而在線圈中注入電流，以便為不同相位創建必要的磁場。在此系統中，使用電機控制器來指示換向。控制器可以是微控制器、FPGA、DSP、數字狀態機或純模擬電路。電機驅動器用于實現控制塊與半橋電路連接，從而允許電機驅動器通過半橋電路來指示換向。霍爾位置傳感器向電機控制器提供轉子位置信息，供電機控制器用于確定應如何驅動半橋電路。作為圖 1-5 中所示系統架構的替代方案，某些電機驅動器具有集成半橋電路，因此無需使用圖中所示的外部半橋電路。

為 BLDC 電機換向選擇合適的霍爾鎖存器

通常根據以下規格選擇用于 BLDC 換向的合適霍爾鎖存器：

• 靈敏度：鎖存器的靈敏度是指 B_OP 和 B_RP 規格，該規格會使暴露于磁體中的鎖存器切換輸出狀態。鎖存器檢測到的磁通密度取決于磁體的尺寸、磁性材料以及磁體到傳感器的距離。高靈敏度鎖存器具有低 B_OP 和 B_RP 規格，支持電機使用更小的磁體來創建更緊湊的電機設計。在使用相同磁體的情況下，高靈敏度鎖存器還具有比低靈敏度鎖存器更大的磁體到霍爾傳感器距離。
• 電流消耗：如果應用由電池供電，則霍爾位置傳感器應具有低電流消耗，以便更大程度延長電池壽命。
• 工作電壓范圍：由于各種系統具有不同的可用電源電壓，因此應選擇一個在系統電壓范圍內工作的霍爾鎖存器。如果系統的可用電源電壓均超出霍爾位置傳感器的工作電壓范圍，則需要一個額外的電壓穩壓器來生成一個電壓軌，以便為霍爾位置傳感器供電。
• 開漏與推挽輸出：當需要使邏輯高電平輸出電壓與霍爾位置傳感器的 VCC 電壓處于不同的電壓電平時，選擇開漏輸出。與開漏輸出相比，推挽輸出不需要上拉電阻器，從而減小了解決方案尺寸。
• 頻率帶寬：器件頻率帶寬決定了可檢測到并轉換為輸出的超快速變化磁場，從而確定霍爾鎖存器仍可檢測到的電機旋轉速度。
• 抖動：霍爾鎖存器的抖動是當電機以恒定速度旋轉時輸出脈沖寬度發生的變化。抖動會在轉子位置的測量中引入角度誤差。
• 輸出延遲，刷新周期：輸出延遲定義為磁場超過 B_OP 或 B_RP 閾值的時間與輸出反映其新值所需的時間之間的值。在采樣器件中有一個刷新周期，也稱為采樣率，這是器件在采集新磁性采樣之前所需的一段時間，用于視需要更新輸出。采樣器件往往會受到較長的輸出延遲時間的影響，因為用戶還必須考慮輸入采樣時的刷新周期以及更新輸出所需的輸出延遲。
• 溫度：如果高溫電機應用采用霍爾傳感器，則霍爾傳感器需要在高溫下運行。
• 尺寸：在設計緊湊型電機時，器件的物理尺寸非常重要。醫療和牙科領域使用的電池供電型手持式鉆機是一個適合使用緊湊型電機的系統示例。在該系統中，較小的電機可降低系統的總重量，從而緩解最終用戶的疲勞和壓力，同時提供相同的扭矩和電池壽命。因此，較小的霍爾位置傳感器非常有用，因為它們可以巧妙放置在電機外殼內，而不會影響電機設計的總直徑。為了說明這一點，下面以 TO-92 和 X2SON 封裝類型為例說明。傳統的 TO-92 封裝（圖 1-6）圍繞轉子的圓周合理布置。對于內部轉子電機設計，這通常不是問題，因為定子有足夠的空間放置霍爾傳感器（未顯示定子）。這種方法的缺點是，它可能會導致電機設計的直徑更大。在無槽 BLDC 電機中，電機繞組內沒有空間。霍爾位置傳感器的理想位置是直接放置在電機上方，在轉子軸軸向中心的 PCB 上（圖 1-7）。此配置表明，此封裝類型支持開發出更小的電機設計。

有關所涵蓋的某些鎖存器規格的更多深入信息，請參閱關于霍爾效應鎖存器規格的精密實驗室視頻。

TMAG5115 是一系列高性能數字霍爾效應鎖存器，旨在實現高性能。該器件可為需要高磁精度的系統提供低抖動和低輸出延遲。此外，由于電機系統可能會產生高于電源的電壓，因此 TMAG5115 能夠處理 2.5V 的寬輸入電壓、絕對最大值為 30V。更寬的電壓范圍還允許用戶在無需額外穩壓器的情況下從主電源線運行器件。TMAG5115 還提供 TI 霍爾效應鎖存器產品組合中可用的最高頻率帶寬，支持在快速電機應用或具有高磁極數的電機中使用傳感器。

DRV5011 是一款數字霍爾效應鎖存器，專為電機和其他旋轉系統而設計。此器件具有高效低壓架構，工作電壓范圍為 2.5V 至 5.5V，采用標準 SOT-23 封裝以及薄型 X2SON 和 DSBGA (WCSP) 封裝。與 X2SON 相比，DSBGA 封裝的尺寸減少了 58%。表 1-1 顯示了不同封裝的比較。

該器件的數字輸出是一個推挽驅動器，無需使用外部上拉電阻器，使系統更加緊湊小巧。