換相是無(wú)刷直流電機(jī)控制的核心功能之一，銜接位置控制環(huán)與電流控制環(huán)。

本文學(xué)習(xí)要點(diǎn)

• 無(wú)刷直流電機(jī)如何通過(guò)電子換相實(shí)現(xiàn)效率最大化，保障運(yùn)轉(zhuǎn)平順?lè)€(wěn)定。

• 對(duì)比梯形換相、正弦換相、無(wú)傳感器換相三種技術(shù)，梳理各自核心優(yōu)勢(shì)與局限性。

• 無(wú)刷直流電機(jī)中霍爾位置傳感器與編碼器位置傳感器在轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)上的區(qū)別。

實(shí)時(shí)、低延遲控制，是確保無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）運(yùn)轉(zhuǎn)平順、穩(wěn)定、高速的關(guān)鍵。但想要充分發(fā)揮無(wú)刷電機(jī)（無(wú)論是旋轉(zhuǎn)式還是直線式）的性能，必須在運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。電機(jī)控制器依據(jù)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)時(shí)調(diào)整定子磁矢量角度，提升有效 Q 軸力矩輸出，同時(shí)抑制無(wú)用 D 軸力矩。

在高性能運(yùn)動(dòng)控制中，位置控制環(huán)會(huì)對(duì)比電機(jī)目標(biāo)位置與實(shí)際位置，根據(jù)位置誤差輸出電流指令；該指令大小與修正誤差所需轉(zhuǎn)矩成正比。隨后電機(jī)控制器將電流指令分配至各相繞組，使定子磁矢量始終與轉(zhuǎn)子位置保持對(duì)齊。這種維持磁矢量精準(zhǔn)對(duì)齊的控制過(guò)程，就稱為換相。

實(shí)現(xiàn)矢量對(duì)齊有多種主流技術(shù)，第一種是梯形換相，也叫六步換相。梯形換相依靠三路隨轉(zhuǎn)子位置變化的位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)邏輯切換。

大多數(shù)無(wú)刷直流電機(jī)采用霍爾磁性位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。圖 1 展示了傳統(tǒng)梯形換相方案中三路霍爾輸入信號(hào)，以及對(duì)應(yīng)的電機(jī)線圈驅(qū)動(dòng)輸出波形。

圖1 

磁位置傳感：基于霍爾的換相

霍爾信號(hào)輸出只有高電平、低電平兩種狀態(tài)；三路霍爾信號(hào)在完整 360 度電氣周期內(nèi)，可編碼出 6 種獨(dú)立狀態(tài)。

從波形可見(jiàn)，電機(jī)繞組驅(qū)動(dòng)狀態(tài)與霍爾狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，按固定周期循環(huán)：一個(gè)零輸出狀態(tài)、兩路正向指令霍爾狀態(tài)、再一個(gè)零輸出狀態(tài)、兩路負(fù)向指令輸出狀態(tài)。

梯形換相是否為最優(yōu)控制方案？

答案是否定的。

每個(gè)電氣周期僅有 6 個(gè)霍爾狀態(tài)，對(duì)應(yīng)矢量角度分辨率僅為60°，意味著 Q 軸矢量相對(duì)理想值始終存在 ±30° 偏差。這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題：

第一，效率損耗，尤其在霍爾狀態(tài)切換臨界點(diǎn)附近損耗更為明顯。

第二，轉(zhuǎn)矩不連續(xù)。霍爾切換瞬間換相矢量直接跳變 60°；若切換點(diǎn)恰好落在運(yùn)動(dòng)定位的穩(wěn)定位置附近，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出呈現(xiàn)強(qiáng)非線性，位置環(huán)難以維持定點(diǎn)穩(wěn)定。

圖2 

正弦換相：以編碼器為核心

第二種主流換相方式為正弦換相，也叫編碼器換相。

該方案放棄霍爾傳感器，改用高分辨率位置編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子精確角度。

其核心優(yōu)勢(shì)：輸出波形為平滑正弦波，而非梯形換相的階梯波。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子磁矢量可隨編碼器微小位移連續(xù)微調(diào)，徹底消除轉(zhuǎn)矩跳變；同時(shí)可對(duì) Q 軸力矩做最優(yōu)匹配，電機(jī)運(yùn)行效率更高。

采用編碼器換相會(huì)引出一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：初始相位如何標(biāo)定？

絕大多數(shù)正弦換相電機(jī)仍保留霍爾傳感器，但霍爾僅用于上電相位初始化，不參與正常運(yùn)行換相。

另一種方案可省去霍爾傳感器：通過(guò)給電機(jī)繞組勵(lì)磁、檢測(cè)電機(jī)微動(dòng)軌跡，推算初始相位，稱為算法相位初始化，業(yè)內(nèi)俗稱 “喚醒抖動(dòng)法”。該初始化流程無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各家廠商實(shí)現(xiàn)方式各不相同。

算法相位初始化的普及度：

• 旋轉(zhuǎn)無(wú)刷電機(jī)：應(yīng)用較少。霍爾傳感器成本低、標(biāo)配率高；且若電機(jī)停在機(jī)械限位附近或摩擦較大，算法容易判錯(cuò)初始相位，霍爾方案的可靠性優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)大于成本劣勢(shì)。

• 直線無(wú)刷電機(jī)：應(yīng)用十分普遍。在直線軌道全線布設(shè)霍爾成本高昂；且直線無(wú)刷電機(jī)通常軸承精度高、運(yùn)行環(huán)境潔凈可控、摩擦損耗小，適合采用算法初始化。

圖3

什么是無(wú)傳感器換相？

第三種為無(wú)傳感器換相。

該方案無(wú)需位置傳感器，通過(guò)專用電路采集電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，分析電壓波形特征，推算實(shí)時(shí)換相角度。

利用繞組反電動(dòng)勢(shì)判定換相相位有簡(jiǎn)易與復(fù)雜兩種實(shí)現(xiàn)方式。圖 4 為最常用的基礎(chǔ)方案：驅(qū)動(dòng)其中兩相繞組，采集懸空非驅(qū)動(dòng)相的反電動(dòng)勢(shì)。懸空相不受功放輸出電壓影響，可提取純凈反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，檢測(cè)其過(guò)零點(diǎn)即可完成換相邏輯判斷。

圖4 

反電動(dòng)勢(shì)方案在合適工況下表現(xiàn)良好，但存在明顯應(yīng)用局限：

最大短板是電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，反電動(dòng)勢(shì)幅值越小。

因此無(wú)傳感器控制無(wú)法用于定點(diǎn)精確定位場(chǎng)景。另一短板是反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)易受噪聲干擾，噪聲來(lái)源包括外部干擾，以及驅(qū)動(dòng)繞組的 PWM 逆變橋開(kāi)關(guān)噪聲。

盡管如此，在速度控制類場(chǎng)景中，無(wú)傳感器無(wú)刷控制已得到廣泛應(yīng)用：適用于環(huán)境可控、負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)小、摩擦低、轉(zhuǎn)速恒定或慢速變化的設(shè)備，例如硬盤(pán)主軸、條碼掃描器、吊扇等。

綜上，無(wú)傳感器換相更適合定位為無(wú)刷電機(jī)一體化速度控制方案，而非可隨意搭配位置環(huán)、速度環(huán)的通用換相方式。

在無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)中，換相只是平順均衡運(yùn)轉(zhuǎn)所需協(xié)同的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本系列第四篇將介紹換相之后的完整控制鏈路：電流控制環(huán)（采集各繞組實(shí)際電流），以及功率放大器（通過(guò)功率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)輸出電壓，使實(shí)際電流跟隨指令電流）。