換相是無刷直流電機控制的核心功能之一，銜接位置控制環與電流控制環。

本文學習要點

• 無刷直流電機如何通過電子換相實現效率最大化，保障運轉平順穩定。

• 對比梯形換相、正弦換相、無傳感器換相三種技術，梳理各自核心優勢與局限性。

• 無刷直流電機中霍爾位置傳感器與編碼器位置傳感器在轉子位置檢測上的區別。

實時、低延遲控制，是確保無刷直流電機（BLDC）運轉平順、穩定、高速的關鍵。但想要充分發揮無刷電機（無論是旋轉式還是直線式）的性能，必須在運行過程中持續監測轉子位置。電機控制器依據轉子位置，實時調整定子磁矢量角度，提升有效 Q 軸力矩輸出，同時抑制無用 D 軸力矩。

在高性能運動控制中，位置控制環會對比電機目標位置與實際位置，根據位置誤差輸出電流指令；該指令大小與修正誤差所需轉矩成正比。隨后電機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子位置保持對齊。這種維持磁矢量精準對齊的控制過程，就稱為換相。

實現矢量對齊有多種主流技術，第一種是梯形換相，也叫六步換相。梯形換相依靠三路隨轉子位置變化的位置信號實現邏輯切換。

大多數無刷直流電機采用霍爾磁性位置傳感器檢測轉子位置。圖 1 展示了傳統梯形換相方案中三路霍爾輸入信號，以及對應的電機線圈驅動輸出波形。

圖1 

磁位置傳感：基于霍爾的換相

霍爾信號輸出只有高電平、低電平兩種狀態；三路霍爾信號在完整 360 度電氣周期內，可編碼出 6 種獨立狀態。

從波形可見，電機繞組驅動狀態與霍爾狀態一一對應，按固定周期循環：一個零輸出狀態、兩路正向指令霍爾狀態、再一個零輸出狀態、兩路負向指令輸出狀態。

梯形換相是否為最優控制方案？

答案是否定的。

每個電氣周期僅有 6 個霍爾狀態，對應矢量角度分辨率僅為60°，意味著 Q 軸矢量相對理想值始終存在 ±30° 偏差。這會帶來兩個實際問題：

第一，效率損耗，尤其在霍爾狀態切換臨界點附近損耗更為明顯。

第二，轉矩不連續?；魻柷袚Q瞬間換相矢量直接跳變 60°；若切換點恰好落在運動定位的穩定位置附近，電機轉矩輸出呈現強非線性，位置環難以維持定點穩定。

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轉子精確角度。

其核心優勢：輸出波形為平滑正弦波，而非梯形換相的階梯波。電機運轉時定子磁矢量可隨編碼器微小位移連續微調，徹底消除轉矩跳變；同時可對 Q 軸力矩做最優匹配，電機運行效率更高。

采用編碼器換相會引出一個關鍵問題：初始相位如何標定？

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

另一種方案可省去霍爾傳感器：通過給電機繞組勵磁、檢測電機微動軌跡，推算初始相位，稱為算法相位初始化，業內俗稱 “喚醒抖動法”。該初始化流程無統一標準，各家廠商實現方式各不相同。

算法相位初始化的普及度：

• 旋轉無刷電機：應用較少?；魻杺鞲衅鞒杀镜?、標配率高；且若電機停在機械限位附近或摩擦較大，算法容易判錯初始相位，霍爾方案的可靠性優勢遠大于成本劣勢。

• 直線無刷電機：應用十分普遍。在直線軌道全線布設霍爾成本高昂；且直線無刷電機通常軸承精度高、運行環境潔凈可控、摩擦損耗小，適合采用算法初始化。

圖3

什么是無傳感器換相？

第三種為無傳感器換相。

該方案無需位置傳感器，通過專用電路采集電機旋轉時繞組產生的反電動勢，分析電壓波形特征，推算實時換相角度。

利用繞組反電動勢判定換相相位有簡易與復雜兩種實現方式。圖 4 為最常用的基礎方案：驅動其中兩相繞組，采集懸空非驅動相的反電動勢。懸空相不受功放輸出電壓影響，可提取純凈反電動勢信號，檢測其過零點即可完成換相邏輯判斷。

圖4 

反電動勢方案在合適工況下表現良好，但存在明顯應用局限：

最大短板是電機轉速越低，反電動勢幅值越小。

因此無傳感器控制無法用于定點精確定位場景。另一短板是反電動勢信號易受噪聲干擾，噪聲來源包括外部干擾，以及驅動繞組的 PWM 逆變橋開關噪聲。

盡管如此，在速度控制類場景中，無傳感器無刷控制已得到廣泛應用：適用于環境可控、負載轉矩擾動小、摩擦低、轉速恒定或慢速變化的設備，例如硬盤主軸、條碼掃描器、吊扇等。

綜上，無傳感器換相更適合定位為無刷電機一體化速度控制方案，而非可隨意搭配位置環、速度環的通用換相方式。

在無刷直流電機系統中，換相只是平順均衡運轉所需協同的關鍵環節之一。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（采集各繞組實際電流），以及功率放大器（通過功率開關調節輸出電壓，使實際電流跟隨指令電流）。