BLDC馬達(dá)依靠外部控制器來達(dá)到換向，亦即在馬達(dá)相位中切換電流以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的過程。本文將說明BLDC馬達(dá)的基礎(chǔ)知識(shí)、瞭解BLDC馬達(dá)常用的換向方法，並介紹一種收集位置回饋的新解決方案。

無刷直流電動(dòng)馬達(dá)（BLDC馬達(dá)），屬於電子換向馬達(dá)，由DC電源透過外部馬達(dá)控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。BLDC馬達(dá)與有刷馬達(dá)不同，需依靠外部控制器來達(dá)到換向，這是指在馬達(dá)相位中切換電流以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的過程。

有刷馬達(dá)具有實(shí)體電刷，每次轉(zhuǎn)動(dòng)可執(zhí)行此過程兩次，但BLDC馬達(dá)則沒有，也因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)本質(zhì)，可以有任意數(shù)量的極對(duì)以進(jìn)行換向。本文將回顧BLDC馬達(dá)的基礎(chǔ)知識(shí)、瞭解BLDC馬達(dá)常用的換向方法，並介紹一種收集位置回饋的新解決方案。

BLDC馬達(dá)換向基礎(chǔ)知識(shí)

BLDC馬達(dá)最常見的配置是三相。相數(shù)與定子上的繞組數(shù)相符，而轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)不拘，視應(yīng)用而定。由於BLDC馬達(dá)的轉(zhuǎn)子會(huì)受到旋轉(zhuǎn)的定子極點(diǎn)影響，因此必須追蹤定子極的位置，以有效驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的三個(gè)相位。因此，會(huì)使用馬達(dá)控制器在馬達(dá)的三個(gè)相位上產(chǎn)生六步換向模式。這六個(gè)步驟（或稱換向階段）會(huì)讓電磁場(chǎng)移動(dòng)，進(jìn)而讓轉(zhuǎn)子的永久磁鐵移動(dòng)馬達(dá)機(jī)軸（圖1）。

圖1 : BLDC馬達(dá)換向的六步模式。（source：CUI Devices）

為了讓控制器有效地進(jìn)行馬達(dá)換向，必須對(duì)轉(zhuǎn)子的位置隨時(shí)掌握準(zhǔn)確的資訊。自無刷馬達(dá)問世以來，霍爾效應(yīng)感測(cè)器一直是換向回饋的常用選擇。在典型情況下，三相控制需要三個(gè)感測(cè)器。將霍爾效應(yīng)感測(cè)器會(huì)嵌入到馬達(dá)的定子中，偵測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，藉此在三相橋中切換電晶體，以便驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。三個(gè)感測(cè)器的輸出通常標(biāo)註為U、V與W通道。

然而，這種位置回饋方法有一些缺點(diǎn)。雖然霍爾效應(yīng)感測(cè)器的BOM成本較低，但將這些感測(cè)器整合到BLDC中的成本會(huì)讓馬達(dá)的總成本翻倍。此外，控制器只能從霍爾效應(yīng)感測(cè)器取得馬達(dá)位置的部分樣貌，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)問題，因?yàn)樾枰芯艿奈恢没仞伈趴烧_操作。

編碼器可提供更高精度

在當(dāng)今世界，使用BLDC馬達(dá)的系統(tǒng)需要比以往更高的位置測(cè)量精度。為此，除了霍爾效應(yīng)感測(cè)器外，BLDC馬達(dá)還可以搭配增量編碼器使用。如此就可讓系統(tǒng)改善位置回饋，但也造成馬達(dá)製造商要在馬達(dá)中添加兩個(gè)霍爾感測(cè)器，並在組裝後添加一個(gè)增量編碼器。有個(gè)更好的作法是摒棄所有霍爾效應(yīng)感測(cè)器，並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，具有增量輸出，可達(dá)到精確的位置追蹤，還有換向輸出，可配合馬達(dá)的特定極點(diǎn)配置。

CUI Devices 的換向編碼器採數(shù)位架構(gòu)，可對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行編程，包括極數(shù)、解析度和方向。這可讓工程師在原型設(shè)計(jì)和測(cè)試期間享有靈活性，並可在多個(gè)設(shè)計(jì)間減少編碼器SKU數(shù)量。

換向馬達(dá)對(duì)準(zhǔn)

當(dāng)電流施加到馬達(dá)上時(shí)，馬達(dá)會(huì)旋轉(zhuǎn)，相反地，轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流。若轉(zhuǎn)動(dòng) BLDC 馬達(dá)，可看到類似於以下圖 2 的三相輸出。為了將換向編碼器甚至霍爾效應(yīng)感測(cè)器正確對(duì)齊 BLDC 馬達(dá)，產(chǎn)生的換向波形應(yīng)對(duì)齊反電動(dòng)勢(shì)。傳統(tǒng)上，這會(huì)導(dǎo)致反覆過程，需要第二個(gè)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)第一個(gè)馬達(dá)，也需要示波器來觀察波形。這可能非常耗時(shí)，也會(huì)在製造過程中增加大量成本。

圖2 : 換向輸出和馬達(dá)相位（source：CUI Devices）

透過AMT電容式編碼器，對(duì)齊過程幾乎即時(shí)完成，且僅需一個(gè)電源供應(yīng)器即可。安裝編碼器後，使用者只需供電給兩個(gè)相位，即可對(duì)應(yīng)到所需的AMT編碼器起始位置，並可傳送演算法命令。如此一來，使用者基本上已經(jīng)設(shè)定了編碼器換向波形和馬達(dá)反電動(dòng)勢(shì)波形的起始位置。

除了可簡(jiǎn)化對(duì)齊作業(yè)，AMT編碼器的換向訊號(hào)也更精準(zhǔn)對(duì)齊馬達(dá)極點(diǎn)。將換向編碼器對(duì)齊馬達(dá)就會(huì)設(shè)定起始位置（即換向波形開始的位置）。如果操作得當(dāng)，換向波形應(yīng)與馬達(dá)的反電動(dòng)勢(shì)波形完美匹配。然而，這並非總是可達(dá)成。與霍爾感測(cè)器或光學(xué)編碼器的典型對(duì)齊程度約在±1電度。

另一方面，AMT編碼器可達(dá)到更高的精度，通常在±0.1電度以內(nèi)。當(dāng)U和W都在高電位時(shí)（上述波形中的第三種狀態(tài)），AMT編碼器的波形就會(huì)開始；洽詢馬達(dá)製造商可以瞭解適用的反電動(dòng)勢(shì)圖，以判定要在對(duì)齊期間對(duì)哪些相位通電。

AMT換向編碼器的方向設(shè)定

除了可編程的極數(shù)和解析度功能外，AMT系列還針對(duì)換向應(yīng)用提供方向設(shè)定；其他大多數(shù)換向編碼器製造商皆未提供此獨(dú)特選項(xiàng)。簡(jiǎn)而言之，可透過此方向瞭解編碼器機(jī)軸應(yīng)朝何方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以便換向訊號(hào)前進(jìn)。通常，換向編碼器會(huì)放置在馬達(dá)的後軸上。

在此情況下，當(dāng)馬達(dá)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)（從馬達(dá)背面觀察），換向訊號(hào)會(huì)依序其狀態(tài)前進(jìn)。但是，若將編碼器放在前軸，基本上就是將編碼器顛倒，因此當(dāng)您逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)時(shí)（從後面看），編碼器的機(jī)軸實(shí)際上是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（從編碼器由上往下觀看）。這意味著馬達(dá)的極點(diǎn)與編碼器的極點(diǎn)旋轉(zhuǎn)方向相反，如圖3所示。

若是不含此可編程選項(xiàng)的其他技術(shù)，則需要實(shí)體切換編碼器碟盤或U、V、W通道，才能完成相同的任務(wù)。若應(yīng)用採用多個(gè)BLDC馬達(dá)且有多種方向需求，此可編程特點(diǎn)就相當(dāng)實(shí)用。

圖3 : 換向波形與反電動(dòng)勢(shì)相反（source：CUI Devices）

結(jié)論

BLDC馬達(dá)的應(yīng)用範(fàn)圍不斷增加，若提供嚴(yán)密的控制迴路和高精度的位置感測(cè)回饋，就可在眾多應(yīng)用中達(dá)到傑出表現(xiàn)?；魻栃?yīng)感測(cè)器因?yàn)榫邆涞虰OM成本的優(yōu)勢(shì)，多年來一直是首選的解決方案，但除非搭配增量編碼器使用，否則通常無法提供馬達(dá)位置的全貌。

然而，CUI Devices的AMT換向編碼器可提供多功能合一的解決方案，完全無需使用霍爾效應(yīng)感測(cè)器和增量編碼器。CUI Devices的AMT31或AMT33換向編碼器具備靈活的可編程能力，且安裝簡(jiǎn)便，因此是市面上最多用途的選擇。透過本文提供的換向編碼器基本原理，有助於在未來的BLDC馬達(dá)專案中優(yōu)先挑選此元件。

（本文由Digi-Key Electronics提供；作者Barley Li為APAC技術(shù)內(nèi)容應(yīng)用工程經(jīng)理）