無刷電機控制方法之換相

（本文編譯自Electronic Design）

實時、低延遲的控制是保障無刷直流（BLDC）電機運行平穩、穩定且快速的關鍵。而要充分發揮旋轉式或直線式無刷直流電機的性能，就需要對轉子的運動位置進行持續監測。電機控制器根據監測結果調整定子磁矢量角度，以此提升有效交軸（Q軸）力矩的輸出，同時降低無用直軸（D軸）力矩的產生。

在高性能運動控制中，位置控制環會將電機的期望位置與實際位置進行對比，并根據位置偏差，輸出與修正該偏差所需扭矩成比例的電流指令。隨后，電機控制器將該電流指令分配至電機各繞組，使定子矢量與轉子位置保持對準，這一對準過程即為換相。

實現該對準過程可采用多種技術，第一種為梯形換相，也被稱作六步換相。該方法通過三個隨轉子位置變化的信號實現換相控制。

在大多數無刷直流電機中，上述信號由霍爾磁位置傳感器采集的轉子位置數據生成。圖1展示了傳統梯形換相方案中，三路霍爾信號輸入及對應的電機繞組驅動輸出情況。

圖1：基于霍爾傳感器信號跳變的六步梯形換相波形圖。

磁位置檢測：基于霍爾傳感器的換相

每個霍爾傳感器的輸出信號僅有高、低兩種狀態，三路信號組合后，可在一個完整的360°電周期內編碼出六種獨立狀態。從圖1中可看出，電機繞組的驅動狀態與霍爾信號狀態一一對應，按固定序列循環：一個零輸出指令狀態、兩個正指令輸出的霍爾信號狀態、另一個零輸出狀態，以及兩個負指令輸出狀態。

梯形換相是否能實現無刷直流電機的最優控制？答案是否定的。一個電周期內僅有六種霍爾信號狀態，意味著每種狀態對應的矢量角度分辨率為60°，即交軸矢量與理想值的偏差最大可達±30°。這會帶來兩個實際問題：其一，電機運行效率會下降，且在霍爾信號狀態跳變的臨界位置，效率損失會尤為明顯（見圖2）。

圖2：梯形換相導致的電機效率損失估算結果。

其二，在霍爾信號狀態的跳變點，換相矢量會直接產生60°的階躍變化，進而造成電機扭矩突變。若霍爾信號跳變點恰好處于某一軌跡運動的穩定位置附近，這一問題會尤為突出，該位置處電機扭矩輸出的非線性特性，會導致位置控制環難以維持電機的穩定定位。

正弦換相：基于編碼器的控制方案

接下來介紹的換相技術為正弦換相，也被稱作基于編碼器的換相。該方法摒棄霍爾傳感器，采用分辨率更高的位置編碼器來檢測轉子角度（見圖3）。

圖3：展示了由編碼器采集的轉子角度信號生成的正弦換相信號波形圖。

正弦換相的核心優勢在于，其輸出的驅動波形為正弦波，而非梯形換相的階梯波。因此，電機旋轉過程中，定子矢量會隨編碼器的最小位移增量持續調整，徹底消除扭矩突變問題；同時，交軸力矩的輸出可實現優化，提升電機運行效率。

但采用編碼器實現換相也帶來一個關鍵問題：初始相位如何確定？對于大多數采用正弦換相的電機，解決方案是保留電機內的霍爾位置傳感器，但僅將其用于初始相位標定，而非換相控制。

此外，還存在一種無需霍爾傳感器的初始相位標定方法：向電機繞組通入電流，通過檢測電機的微小運動來確定初始相位。該方法被稱作算法式相位初始化，也俗稱“喚醒抖動法”。目前該相位初始化流程尚無統一標準，具體實現方式因供應商不同而存在差異。

算法式相位初始化的應用普及度如何？在旋轉式無刷直流電機中，該方法的應用相對較少，原因在于霍爾傳感器成本低廉，且已是旋轉式電機的標準配置；同時，算法式相位初始化存在一個顯著問題：若電機靜止在機械硬限位附近，或電機運行時受到較大摩擦力，可能會導致初始相位標定錯誤。因此，使用霍爾傳感器規避這些問題的優勢，通常遠大于其成本劣勢。

而在直線式無刷直流電機中，算法式相位初始化則是主流方案。這是因為在直線導軌上嵌入霍爾傳感器的成本極高，且直線式無刷直流電機一般配備高精度軸承，運行于受控的潔凈環境中，電機自身的摩擦力較低，能有效避免算法標定的誤差問題。

什么是“無傳感器”換相？

最后一種換相方法為無傳感器控制。該方法通過專用電路檢測電機的反電動勢（即電機旋轉時，繞組切割磁感線產生的感應電壓），并提取反電動勢電壓波形的特征參數，以此確定換相角度，其典型檢測信號見圖4。

圖4：展示了用于無傳感器換相檢測的反電動勢電壓波形。

利用繞組反電動勢確定換相相位的方法有簡有繁，圖4所示為一種常用且簡便的方案：在驅動電機兩路繞組的同時，檢測第三路懸空（非驅動）繞組的反電動勢。該懸空繞組不受放大器輸出指令電壓的影響，其兩端的電壓即為反電動勢，可通過檢測該電壓的過零點來確定換相時機。

反電動勢檢測方案在適用場景下效果良好，但存在顯著的應用局限性，其中最主要的是：反電動勢的幅值會隨電機轉速降低而減小。

這就導致無傳感器控制無法應用于需要電機靜止定位的位置控制場景。另一局限性為，反電動勢信號的處理過程易受噪聲干擾，這些噪聲既可能來自電機外部，也可能來自為電機兩路工作繞組提供電壓指令的放大器 —— 通常為脈寬調制（PWM）開關橋。

盡管如此，在速度控制場景中，無傳感器無刷直流電機控制已得到廣泛應用，尤其適用于受控環境下、無負載相關扭矩擾動、摩擦力低，且運行速度恒定或緩慢變化的應用場景，例如硬盤主軸電機、條形碼掃描儀、吊扇等。

綜合以上特性，無傳感器換相更適合被視作無刷直流電機的一體化速度控制技術，而非一種可獨立與位置控制環或速度控制環結合使用的換相方法。

結語

需要注意的是，在無刷直流電機的控制中，換相僅是需精準協調的多項功能之一，唯有各功能協同工作，才能保障電機的平穩、均衡運行。