使用無刷直流電機換向的最有效方法
無刷直流電機，或簡稱無刷直流電機，是由直流電源通過外部電機控制器供電的電子換向電機。與它們的有刷電機不同，無刷直流電機依靠外部控制器來實現換向。簡而言之，換向是切換電機相位中的電流以產生運動的過程。有刷電機具有物理電刷，每次旋轉兩次可實現此過程，而無刷直流電機則沒有，因此得名。由于它們的設計性質，它們可以有任意數量的極對進行換向。
與傳統有刷電機相比，無刷直流電機具有顯著優勢。它們通常可提高15-20%的效率，需要更少的維護，不會造成電刷物理磨損，并在所有額定速度下提供平坦的扭矩曲線。雖然無刷直流電機不是一項新發明，但由于需要復雜的控制和反饋電路，因此廣泛采用的速度很慢。然而，最近半導體技術的進步、更好的永磁體以及對更高效率的不斷增長的需求導致無刷直流電機在許多應用中取代了有刷電機。無刷直流電機已在許多行業找到了自己的位置，包括白色家電、汽車、航空航天、消費品、醫療、工業自動化設備和儀器儀表。
一、無刷直流電機換向基礎知識：
在深入研究無刷直流電機的反饋選項之前，了解為什么需要它們很重要。無刷直流電機有單相、兩相和三相配置；最常見的配置是三相。相數與定子上的繞組數相匹配，而轉子磁極可以是任意對數，具體取決于應用。由于無刷直流電機的轉子受到旋轉的定子磁極的影響，因此必須跟蹤定子磁極位置才能有效地驅動電機的3個相位。因此，電機控制器用于在3個電機相位上生成6步換向模式。這6個步驟或換相階段移動一個電磁場，使轉子的永磁體移動電機軸。
使用此標準電機換向序列，電機控制器可以使用高頻脈寬調制(PWM)信號有效降低電機觀察到的平均電壓，從而改變電機速度。即使直流電壓源遠大于電機的額定電壓，這種設置也允許將一個電壓源用于各種電機，從而在設計中提供了很大的靈活性。為了使該系統保持其相對于有刷技術的效率優勢，電機和控制器之間需要一個非常緊密的控制回路。
這就是反饋技術變得重要的地方；為了讓控制器保持對電機的精確控制，它必須始終知道定子相對于轉子的準確位置。預期和實際位置的任何偏差或相移都可能導致不良行為和性能下降。有許多方法可以為無刷直流電機的換向實現這種反饋，但最常見的是霍爾效應傳感器、編碼器或旋轉變壓器。此外，一些應用依賴于無傳感器換向技術。
二、無刷直流電機的位置反饋：
自無刷電機問世以來，霍爾效應傳感器一直是換向反饋的主力軍。對于三相控制，只需要3個傳感器，并且單位成本非常低，從純BOM成本的角度來看，它們很容易成為實現換向的最經濟的選擇。霍爾傳感器嵌入電機的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。三個霍爾效應傳感器輸出通常稱為U、V和W通道。雖然霍爾傳感器是用于換向無刷直流電機的有效解決方案，但它們只能滿足無刷直流系統一半的需求。
霍爾效應傳感器將允許控制器驅動無刷直流電機，但不幸的是它的控制僅限于速度和方向。對于三相電機，霍爾效應傳感器只能提供每個電周期內的角度位置。隨著極對數的增加，每次機械旋轉的電周期數增加，并且隨著無刷直流的使用變得越來越普遍，因此增加了對精確位置感測的需求。為確保穩健且完整的解決方案，無刷直流系統應提供實時位置信息，以便控制器不僅可以跟蹤速度和方向，還可以跟蹤行進的距離和角位置。
解決對更嚴格位置信息的需求的最常見解決方案是添加一個增量旋轉編碼器到無刷直流電機。在同一控制反饋回路系統中，除了霍爾效應傳感器之外，通常還會添加增量編碼器。霍爾傳感器用于電機換向，編碼器用于以更高的精度跟蹤位置、旋轉、速度和方向。由于霍爾傳感器僅在每次霍爾狀態變化時提供新的位置信息，因此它們的精度僅限于每次電氣旋轉的六個狀態；對于雙極電機，這導致每次機械旋轉只有六個狀態。與提供數千PPR（每轉脈沖數）分辨率的增量編碼器相比，增量編碼器可以解碼為四倍多的狀態變化，很明顯為什么需要兩者。
然而，由于電機制造商不得不將霍爾效應傳感器和增量編碼器都安裝到他們的電機上，許多編碼器制造商已經轉向提供具有換向輸出的增量編碼器，通常簡稱為換向編碼器.這些編碼器旨在提供其傳統的正交A和B通道（有時是每轉一次的索引脈沖通道Z）以及大多數無刷直流電機驅動器所需的標準U、V和W換向信號。這為電機設計人員節省了安裝霍爾效應傳感器和增量編碼器的不必要步驟。
盡管這種方法的優勢非常引人注目，但這種方法也有很大的折衷。如前所述，要使無刷直流電機高效換向，必須知道轉子和定子的位置。這意味著必須格外小心，以確保換向編碼器的U/V/W通道與無刷直流電機的相位正確對齊。
對于光盤上具有固定圖案的光學編碼器和必須手動放置的霍爾效應傳感器，實現無刷直流電機正確對準的過程既反復又耗時。該方法涉及附加設備，包括第二個電機和示波器。要對準光學編碼器或一組霍爾效應傳感器，必須用第二個電機反向驅動無刷直流電機；然后，當第二個電機以恒定速度旋轉電機時，使用示波器監測三個電機相的反電動勢（也稱為反電動勢或反電動勢）。
必須根據示波器上顯示的反電動勢波形檢查編碼器或霍爾傳感器產生的U/V/W信號。如果U/V/W通道與反電動勢波形之間存在任何差異，則必須進行調整。每個電機的這個過程可能需要超過20分鐘，需要大量的實驗室設施，并且是使用無刷直流電機時令人沮喪的主要原因。
盡管光學換向編碼器減輕了僅安裝一種技術的負擔，但實施光學換向編碼器的缺點是缺乏通用性。由于光學編碼器在其光盤上使用固定圖案，因此在訂購前必須了解電機極數、正交分辨率和電機軸尺寸。
