BLDC马达依靠外部控制器来达到换向，亦即在马达相位中切换电流以产生运动的过程。本文将说明BLDC马达的基础知识、了解BLDC马达常用的换向方法，并介绍一种收集位置回??的新解决方案。

无刷直流电动马达（BLDC马达），属於电子换向马达，由DC电源透过外部马达控制器进行驱动。BLDC马达与有刷马达不同，需依靠外部控制器来达到换向，这是指在马达相位中切换电流以产生运动的过程。

有刷马达具有实体电刷，每次转动可执行此过程两次，但BLDC马达则没有，也因为此设计本质，可以有任意数量的极对以进行换向。本文将回顾BLDC马达的基础知识、了解BLDC马达常用的换向方法，并介绍一种收集位置回??的新解决方案。

BLDC马达换向基础知识

BLDC马达最常见的配置是三相。相数与定子上的绕组数相符，而转子的极对数不拘，视应用而定。由於BLDC马达的转子会受到旋转的定子极点影响，因此必须追踪定子极的位置，以有效驱动马达的三个相位。因此，会使用马达控制器在马达的三个相位上产生六步换向模式。这六个步骤（或称换向阶段）会让电磁场移动，进而让转子的永久磁铁移动马达机轴（图1）。

图1 : BLDC马达换向的六步模式。（source：CUI Devices）

为了让控制器有效地进行马达换向，必须对转子的位置随时掌握准确的资讯。自无刷马达问世以来，霍尔效应感测器一直是换向回??的常用选择。在典型情况下，三相控制需要三个感测器。将霍尔效应感测器会嵌入到马达的定子中，侦测转子的位置，藉此在三相桥中切换电晶体，以便驱动马达。三个感测器的输出通常标注为U、V与W通道。

然而，这种位置回??方法有一些缺点。虽然霍尔效应感测器的BOM成本较低，但将这些感测器整合到BLDC中的成本会让马达的总成本翻倍。此外，控制器只能从霍尔效应感测器取得马达位置的部分样貌，可能会导致系统问题，因为需要有精密的位置回??才可正确操作。

编码器可提供更高精度

在当今世界，使用BLDC马达的系统需要比以往更高的位置测量精度。为此，除了霍尔效应感测器外，BLDC马达还可以搭配增量编码器使用。如此就可让系统改善位置回??，但也造成马达制造商要在马达中添加两个霍尔感测器，并在组装後添加一个增量编码器。有个更好的作法是摒弃所有霍尔效应感测器，并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，具有增量输出，可达到精确的位置追踪，还有换向输出，可配合马达的特定极点配置。

CUI Devices 的换向编码器采数位架构，可对这些叁数进行编程，包括极数、解析度和方向。这可让工程师在原型设计和测试期间享有灵活性，并可在多个设计间减少编码器SKU数量。

换向马达对准

当电流施加到马达上时，马达会旋转，相反地，转动马达时，就会产生电流。若转动 BLDC 马达，可看到类似於以下图 2 的三相输出。为了将换向编码器甚至霍尔效应感测器正确对齐 BLDC 马达，产生的换向波形应对齐反电动势。传统上，这会导致反覆过程，需要第二个马达来驱动第一个马达，也需要示波器来观察波形。这可能非常耗时，也会在制造过程中增加大量成本。

图2 : 换向输出和马达相位（source：CUI Devices）

透过AMT电容式编码器，对齐过程几??即时完成，且仅需一个电源供应器即可。安装编码器後，使用者只需供电给两个相位，即可对应到所需的AMT编码器起始位置，并可传送演算法命令。如此一来，使用者基本上已经设定了编码器换向波形和马达反电动势波形的起始位置。

除了可简化对齐作业，AMT编码器的换向讯号也更精准对齐马达极点。将换向编码器对齐马达就会设定起始位置（即换向波形开始的位置）。如果操作得当，换向波形应与马达的反电动势波形完美匹配。然而，这并非总是可达成。与霍尔感测器或光学编码器的典型对齐程度约在±1电度。

另一方面，AMT编码器可达到更高的精度，通常在±0.1电度以内。当U和W都在高电位时（上述波形中的第三种状态），AMT编码器的波形就会开始；洽询马达制造商可以了解适用的反电动势图，以判定要在对齐期间对哪些相位通电。

AMT换向编码器的方向设定

除了可编程的极数和解析度功能外，AMT系列还针对换向应用提供方向设定；其他大多数换向编码器制造商皆未提供此独特选项。简而言之，可透过此方向了解编码器机轴应朝何方向转动，以便换向讯号前进。通常，换向编码器会放置在马达的後轴上。

在此情况下，当马达逆时针旋转时（从马达背面观察），换向讯号会依序其状态前进。但是，若将编码器放在前轴，基本上就是将编码器颠倒，因此当您逆时针转动马达时（从後面看），编码器的机轴实际上是顺时针旋转（从编码器由上往下观看）。这意味着马达的极点与编码器的极点旋转方向相反，如图3所示。

若是不含此可编程选项的其他技术，则需要实体切换编码器碟盘或U、V、W通道，才能完成相同的任务。若应用采用多个BLDC马达且有多种方向需求，此可编程特点就相当实用。

图3 : 换向波形与反电动势相反（source：CUI Devices）

结论

BLDC马达的应用范围不断增加，若提供严密的控制??路和高精度的位置感测回??，就可在众多应用中达到杰出表现。霍尔效应感测器因为具备低BOM成本的优势，多年来一直是首选的解决方案，但除非搭配增量编码器使用，否则通常无法提供马达位置的全貌。

然而，CUI Devices的AMT换向编码器可提供多功能合一的解决方案，完全无需使用霍尔效应感测器和增量编码器。CUI Devices的AMT31或AMT33换向编码器具备灵活的可编程能力，且安装简便，因此是市面上最多用途的选择。透过本文提供的换向编码器基本原理，有助於在未来的BLDC马达专案中优先挑选此元件。

（本文由Digi-Key Electronics提供；作者Jeff Smoot为CUI Devices应用工程与动作控制部门??总裁）