作者：Jeff Smoot，CUI Devices 應用工程和運動控制副總裁

　　無刷直流電動機或 BLDC 電動機是由直流電源通過外部電機控制器供電的電子換向電機。與它們的有刷親戚不同，BLDC 電機依靠外部控制器來實現(xiàn)換向，這是在電機相位中切換電流以產(chǎn)生運動的過程。有刷電機具有物理電刷，每次旋轉兩次以實現(xiàn)此過程，而 BLDC 電機則沒有，并且由于其設計的性質，它們可以具有任意數(shù)量的極對用于換向。本文將回顧 BLDC 電機基礎知識，介紹換向 BLDC 電機的常用方法，并介紹一種收集位置反饋的新解決方案。

　　無刷直流電機換向基礎知識

　　BLDC 電機最常見的配置是三相。相數(shù)與定子上的繞組數(shù)相匹配，而轉子極可以是任意數(shù)量的對，具體取決于應用。由于 BLDC 電機的轉子受旋轉定子極的影響，因此必須跟蹤定子極位置以有效地驅動三個電機相位。因此，電機控制器用于在三個電機相位上生成6步換向模式。這六個步驟或換向階段移動電磁場，導致轉子的永磁體移動電機軸(圖 1)。

　　圖 1：BLDC 電機換向的 6 步模式。(圖片來源： CUI 器件)

　　為了使控制器有效地換向電機，它必須始終具有有關轉子位置的準確信息。自無刷電機問世以來，霍爾效應傳感器一直是換向反饋的熱門選擇。在典型情況下，三相控制需要三個傳感器?；魻栃獋鞲衅髑度腚姍C定子中以檢測轉子位置，用于切換三相橋中的晶體管以驅動電機。三個傳感器輸出通常稱為 U、V 和 W 通道。不幸的是，這種位置反饋方法有一些缺點。雖然霍爾效應傳感器的 BOM 成本較低，但將這些傳感器集成到 BLDC 中的成本會使電機的總成本翻倍。此外 控制器僅從霍爾效應傳感器獲取電機位置的部分圖像，這可能會導致需要精確位置反饋才能正常運行的系統(tǒng)出現(xiàn)問題。

　　編碼器提供更高的精度

　　在當今世界，需要 BLDC 電機的系統(tǒng)需要比以往更高的位置測量精度。為此，除了霍爾效應傳感器外，還可以將增量編碼器與 BLDC 電機配對。這提供了一個提供改進位置反饋的系統(tǒng)，但現(xiàn)在要求電機制造商在電機中添加兩個霍爾傳感器，并在組裝后添加一個增量編碼器。更好的選擇是完全跳過霍爾效應傳感器，用換向編碼器代替增量編碼器。這些換向編碼器，例如 CUI Devices 的 AMT31 系列或 AMT33 系列，具有用于精確位置跟蹤的增量輸出，以及與電機的特定極配置相匹配的換向輸出。 CUI 設備的換向編碼器，作為數(shù)字的，允許對這些參數(shù)進行編程，包括極數(shù)、分辨率和方向。這為工程師在原型設計和測試期間提供了靈活性，并減少了多個設計的編碼器SKU數(shù)量。

　　對準換向電機

　　當電流施加到電機上時，它會旋轉，相反，當您旋轉電機時，它會產(chǎn)生電流。如果要旋轉 BLDC 電機，您將看到類似于下面圖 2 的 3 相輸出。為了將換向編碼器甚至霍爾效應傳感器正確對準 BLDC 電機，生成的換向波形應與反電動勢對齊。傳統(tǒng)上，這會導致迭代過程，需要第二個電機驅動第一個電機，以及示波器來觀察波形。這可能非常耗時，并且在制造過程中增加了大量成本。

　　圖 2：換向輸出和電機相位(圖片來源：CUI 設備)

　　使用 AMT 電容式編碼器，對準過程幾乎是即時的，只需要一個電源。安裝編碼器后，用戶只需為對應于 AMT 編碼器所需起始位置的兩個相位通電，并發(fā)送對齊命令。這樣，用戶基本上已經(jīng)設置了編碼器換向波形和電機反電動勢波形的起始位置。

　　除了易于對準之外，AMT 編碼器的換向信號與電機極點的對齊也更加精確。將換向編碼器與電機對齊僅設置起始位置(即換向波形開始的位置)。如果操作得當，換向波形應與電機的反電動勢波形完美匹配。然而，這并不總是可以實現(xiàn)的。與霍爾傳感器或光學編碼器的典型對準約為 ±1 電度。另一方面，AMT編碼器可以實現(xiàn)更高的精度，通常在±0.1電度以內(nèi)。當 U 和 W 都為高電平(上述波形中的第三種狀態(tài))時，AMT 編碼器的波形開始;請咨詢您的電機制造商以獲取相應的反電動勢圖，以確定在對準期間應通電哪些相位。

　　AMT 換向編碼器的方向設置

　　除了可編程的極數(shù)和分辨率功能外，AMT 系列還為換向應用提供了方向設置——這是大多數(shù)其他換向編碼器制造商所沒有的獨特選擇。簡而言之，方向告訴您編碼器的軸應該以哪種方式旋轉以使換向信號前進。通常，換向編碼器放置在電機的后軸上。在這種情況下，當電機逆時針旋轉時(從電機背面觀察)，換向信號通過其狀態(tài)前進。但是，如果您將編碼器放在 前面 軸，您基本上已經(jīng)將編碼器顛倒了，現(xiàn)在當您旋轉 發(fā)動機 逆時針(從背面看)， 編碼器的 軸實際上是順時針旋轉的(在編碼器上從上到下查看)。這意味著電機的磁極與編碼器的磁極旋轉方向相反，如下圖 3 所示。不包括此可編程選項的其他技術需要物理交換編碼器磁盤或 U、V、W 通道才能完成相同的任務。對于使用具有不同方向要求的多個 BLDC 電機的應用，這種可編程功能特別有用。

　　圖 3：與反電動勢相反的換向波形(圖片來源：CUI Devices)

　　結論

　　BLDC 電機的使用范圍不斷增長，當提供緊密的控制回路和高精度位置傳感反饋時，可以在許多應用中表現(xiàn)出色。霍爾效應傳感器由于其低 BOM 成本，多年來一直是首選解決方案，但除非與增量編碼器配對，否則它們通常無法提供電機位置的完整圖像。然而，CUI Devices 的 AMT 換向編碼器提供了一種一體化解決方案，完全消除了對霍爾效應傳感器和增量編碼器的需求。CUI Devices 的 AMT31 或 AMT33 換向編碼器因其靈活的可編程性和簡單的安裝而成為市場上最通用的選擇。對本文概述的換向編碼器原理有基本的了解，可以使其成為即將到來的 BLDC 電機項目的引人注目的選擇。