作者：Jeff Smoot，CUI Devices 应用工程和运动控制副总裁

　　无刷直流电动机或 BLDC 电动机是由直流电源通过外部电机控制器供电的电子换向电机。与它们的有刷亲戚不同，BLDC 电机依靠外部控制器来实现换向，这是在电机相位中切换电流以产生运动的过程。有刷电机具有物理电刷，每次旋转两次以实现此过程，而 BLDC 电机则没有，并且由于其设计的性质，它们可以具有任意数量的极对用于换向。本文将回顾 BLDC 电机基础知识，介绍换向 BLDC 电机的常用方法，并介绍一种收集位置反馈的新解决方案。

　　无刷直流电机换向基础知识

　　BLDC 电机最常见的配置是三相。相数与定子上的绕组数相匹配，而转子极可以是任意数量的对，具体取决于应用。由于 BLDC 电机的转子受旋转定子极的影响，因此必须跟踪定子极位置以有效地驱动三个电机相位。因此，电机控制器用于在三个电机相位上生成6步换向模式。这六个步骤或换向阶段移动电磁场，导致转子的永磁体移动电机轴(图 1)。

　　图 1：BLDC 电机换向的 6 步模式。(图片来源： CUI 器件)

　　为了使控制器有效地换向电机，它必须始终具有有关转子位置的准确信息。自无刷电机问世以来，霍尔效应传感器一直是换向反馈的热门选择。在典型情况下，三相控制需要三个传感器。霍尔效应传感器嵌入电机定子中以检测转子位置，用于切换三相桥中的晶体管以驱动电机。三个传感器输出通常称为 U、V 和 W 通道。不幸的是，这种位置反馈方法有一些缺点。虽然霍尔效应传感器的 BOM 成本较低，但将这些传感器集成到 BLDC 中的成本会使电机的总成本翻倍。此外 控制器仅从霍尔效应传感器获取电机位置的部分图像，这可能会导致需要精确位置反馈才能正常运行的系统出现问题。

　　编码器提供更高的精度

　　在当今世界，需要 BLDC 电机的系统需要比以往更高的位置测量精度。为此，除了霍尔效应传感器外，还可以将增量编码器与 BLDC 电机配对。这提供了一个提供改进位置反馈的系统，但现在要求电机制造商在电机中添加两个霍尔传感器，并在组装后添加一个增量编码器。更好的选择是完全跳过霍尔效应传感器，用换向编码器代替增量编码器。这些换向编码器，例如 CUI Devices 的 AMT31 系列或 AMT33 系列，具有用于精确位置跟踪的增量输出，以及与电机的特定极配置相匹配的换向输出。 CUI 设备的换向编码器，作为数字的，允许对这些参数进行编程，包括极数、分辨率和方向。这为工程师在原型设计和测试期间提供了灵活性，并减少了多个设计的编码器SKU数量。

　　对准换向电机

　　当电流施加到电机上时，它会旋转，相反，当您旋转电机时，它会产生电流。如果要旋转 BLDC 电机，您将看到类似于下面图 2 的 3 相输出。为了将换向编码器甚至霍尔效应传感器正确对准 BLDC 电机，生成的换向波形应与反电动势对齐。传统上，这会导致迭代过程，需要第二个电机驱动第一个电机，以及示波器来观察波形。这可能非常耗时，并且在制造过程中增加了大量成本。

　　图 2：换向输出和电机相位(图片来源：CUI 设备)

　　使用 AMT 电容式编码器，对准过程几乎是即时的，只需要一个电源。安装编码器后，用户只需为对应于 AMT 编码器所需起始位置的两个相位通电，并发送对齐命令。这样，用户基本上已经设置了编码器换向波形和电机反电动势波形的起始位置。

　　除了易于对准之外，AMT 编码器的换向信号与电机极点的对齐也更加精确。将换向编码器与电机对齐仅设置起始位置(即换向波形开始的位置)。如果操作得当，换向波形应与电机的反电动势波形完美匹配。然而，这并不总是可以实现的。与霍尔传感器或光学编码器的典型对准约为 ±1 电度。另一方面，AMT编码器可以实现更高的精度，通常在±0.1电度以内。当 U 和 W 都为高电平(上述波形中的第三种状态)时，AMT 编码器的波形开始;请咨询您的电机制造商以获取相应的反电动势图，以确定在对准期间应通电哪些相位。

　　AMT 换向编码器的方向设置

　　除了可编程的极数和分辨率功能外，AMT 系列还为换向应用提供了方向设置——这是大多数其他换向编码器制造商所没有的独特选择。简而言之，方向告诉您编码器的轴应该以哪种方式旋转以使换向信号前进。通常，换向编码器放置在电机的后轴上。在这种情况下，当电机逆时针旋转时(从电机背面观察)，换向信号通过其状态前进。但是，如果您将编码器放在 前面 轴，您基本上已经将编码器颠倒了，现在当您旋转 发动机 逆时针(从背面看)， 编码器的 轴实际上是顺时针旋转的(在编码器上从上到下查看)。这意味着电机的磁极与编码器的磁极旋转方向相反，如下图 3 所示。不包括此可编程选项的其他技术需要物理交换编码器磁盘或 U、V、W 通道才能完成相同的任务。对于使用具有不同方向要求的多个 BLDC 电机的应用，这种可编程功能特别有用。

　　图 3：与反电动势相反的换向波形(图片来源：CUI Devices)

　　结论

　　BLDC 电机的使用范围不断增长，当提供紧密的控制回路和高精度位置传感反馈时，可以在许多应用中表现出色。霍尔效应传感器由于其低 BOM 成本，多年来一直是首选解决方案，但除非与增量编码器配对，否则它们通常无法提供电机位置的完整图像。然而，CUI Devices 的 AMT 换向编码器提供了一种一体化解决方案，完全消除了对霍尔效应传感器和增量编码器的需求。CUI Devices 的 AMT31 或 AMT33 换向编码器因其灵活的可编程性和简单的安装而成为市场上最通用的选择。对本文概述的换向编码器原理有基本的了解，可以使其成为即将到来的 BLDC 电机项目的引人注目的选择。