无刷直流电机，或简称无刷直流电机，是由直流电源通过外部电机控制器供电的电子换向电机。与它们的有刷电机不同，无刷直流电机依靠外部控制器来实现换向。简而言之，换向是切换电机相位中的电流以产生运动的过程。有刷电机具有物理电刷，每次旋转两次可实现此过程，而无刷直流电机则没有，因此得名。由于它们的设计性质，它们可以有任意数量的极对进行换向。

　与传统有刷电机相比，无刷直流电机具有显着优势。它们通常可提高15-20%的效率，需要更少的维护，不会造成电刷物理磨损，并在所有额定速度下提供平坦的扭矩曲线。虽然无刷直流电机不是一项新发明，但由于需要复杂的控制和反馈电路，因此广泛采用的速度很慢。然而，最近半导体技术的进步、更好的永磁体以及对更高效率的不断增长的需求导致无刷直流电机在许多应用中取代了有刷电机。无刷直流电机已在许多行业找到了自己的位置，包括白色家电、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器仪表。

　一、无刷直流电机换向基础知识：

　在深入研究无刷直流电机的反馈选项之前，了解为什么需要它们很重要。无刷直流电机有单相、两相和三相配置；最常见的配置是三相。相数与定子上的绕组数相匹配，而转子磁极可以是任意对数，具体取决于应用。由于无刷直流电机的转子受到旋转的定子磁极的影响，因此必须跟踪定子磁极位置才能有效地驱动电机的3个相位。因此，电机控制器用于在3个电机相位上生成6步换向模式。这6个步骤或换相阶段移动一个电磁场，使转子的永磁体移动电机轴。

　使用此标准电机换向序列，电机控制器可以使用高频脉宽调制(PWM)信号有效降低电机观察到的平均电压，从而改变电机速度。即使直流电压源远大于电机的额定电压，这种设置也允许将一个电压源用于各种电机，从而在设计中提供了很大的灵活性。为了使该系统保持其相对于有刷技术的效率优势，电机和控制器之间需要一个非常紧密的控制回路。

　这就是反馈技术变得重要的地方；为了让控制器保持对电机的精确控制，它必须始终知道定子相对于转子的准确位置。预期和实际位置的任何偏差或相移都可能导致不良行为和性能下降。有许多方法可以为无刷直流电机的换向实现这种反馈，但最常见的是霍尔效应传感器、编码器或旋转变压器。此外，一些应用依赖于无传感器换向技术。

　二、无刷直流电机的位置反馈：

　自无刷电机问世以来，霍尔效应传感器一直是换向反馈的主力军。对于三相控制，只需要3个传感器，并且单位成本非常低，从纯BOM成本的角度来看，它们很容易成为实现换向的最经济的选择。霍尔传感器嵌入电机的定子中以检测转子位置，用于切换三相桥中的晶体管以驱动电机。三个霍尔效应传感器输出通常称为U、V和W通道。虽然霍尔传感器是用于换向无刷直流电机的有效解决方案，但它们只能满足无刷直流系统一半的需求。

　霍尔效应传感器将允许控制器驱动无刷直流电机，但不幸的是它的控制仅限于速度和方向。对于三相电机，霍尔效应传感器只能提供每个电周期内的角度位置。随着极对数的增加，每次机械旋转的电周期数增加，并且随着无刷直流的使用变得越来越普遍，因此增加了对精确位置感测的需求。为确保稳健且完整的解决方案，无刷直流系统应提供实时位置信息，以便控制器不仅可以跟踪速度和方向，还可以跟踪行进的距离和角位置。

　解决对更严格位置信息的需求的最常见解决方案是添加一个增量旋转编码器到无刷直流电机。在同一控制反馈回路系统中，除了霍尔效应传感器之外，通常还会添加增量编码器。霍尔传感器用于电机换向，编码器用于以更高的精度跟踪位置、旋转、速度和方向。由于霍尔传感器仅在每次霍尔状态变化时提供新的位置信息，因此它们的精度仅限于每次电气旋转的六个状态；对于双极电机，这导致每次机械旋转只有六个状态。与提供数千PPR（每转脉冲数）分辨率的增量编码器相比，增量编码器可以解码为四倍多的状态变化，很明显为什么需要两者。

　然而，由于电机制造商不得不将霍尔效应传感器和增量编码器都安装到他们的电机上，许多编码器制造商已经转向提供具有换向输出的增量编码器，通常简称为换向编码器.这些编码器旨在提供其传统的正交A和B通道（有时是每转一次的索引脉冲通道Z）以及大多数无刷直流电机驱动器所需的标准U、V和W换向信号。这为电机设计人员节省了安装霍尔效应传感器和增量编码器的不必要步骤。

　尽管这种方法的优势非常引人注目，但这种方法也有很大的折衷。如前所述，要使无刷直流电机高效换向，必须知道转子和定子的位置。这意味着必须格外小心，以确保换向编码器的U/V/W通道与无刷直流电机的相位正确对齐。

　对于光盘上具有固定图案的光学编码器和必须手动放置的霍尔效应传感器，实现无刷直流电机正确对准的过程既反复又耗时。该方法涉及附加设备，包括第二个电机和示波器。要对准光学编码器或一组霍尔效应传感器，必须用第二个电机反向驱动无刷直流电机；然后，当第二个电机以恒定速度旋转电机时，使用示波器监测三个电机相的反电动势（也称为反电动势或反电动势）。

　必须根据示波器上显示的反电动势波形检查编码器或霍尔传感器产生的U/V/W信号。如果U/V/W通道与反电动势波形之间存在任何差异，则必须进行调整。每个电机的这个过程可能需要超过20分钟，需要大量的实验室设施，并且是使用无刷直流电机时令人沮丧的主要原因。

　尽管光学换向编码器减轻了仅安装一种技术的负担，但实施光学换向编码器的缺点是缺乏通用性。由于光学编码器在其光盘上使用固定图案，因此在订购前必须了解电机极数、正交分辨率和电机轴尺寸。