（本文编译自Electronic Design）
实时、低延迟的控制是保障无刷直流（BLDC）电机运行平稳、稳定且快速的关键。而要充分发挥旋转式或直线式无刷直流电机的性能，就需要对转子的运动位置进行持续监测。电机控制器根据监测结果调整定子磁矢量角度，以此提升有效交轴（Q轴）力矩的输出，同时降低无用直轴（D轴）力矩的产生。
在高性能运动控制中，位置控制环会将电机的期望位置与实际位置进行对比，并根据位置偏差，输出与修正该偏差所需扭矩成比例的电流指令。随后，电机控制器将该电流指令分配至电机各绕组，使定子矢量与转子位置保持对准，这一对准过程即为换相。
实现该对准过程可采用多种技术，第一种为梯形换相，也被称作六步换相。该方法通过三个随转子位置变化的信号实现换相控制。
在大多数无刷直流电机中，上述信号由霍尔磁位置传感器采集的转子位置数据生成。图1展示了传统梯形换相方案中，三路霍尔信号输入及对应的电机绕组驱动输出情况。
图1：基于霍尔传感器信号跳变的六步梯形换相波形图。
磁位置检测：基于霍尔传感器的换相
每个霍尔传感器的输出信号仅有高、低两种状态，三路信号组合后，可在一个完整的360°电周期内编码出六种独立状态。从图1中可看出，电机绕组的驱动状态与霍尔信号状态一一对应，按固定序列循环：一个零输出指令状态、两个正指令输出的霍尔信号状态、另一个零输出状态，以及两个负指令输出状态。
梯形换相是否能实现无刷直流电机的最优控制？答案是否定的。一个电周期内仅有六种霍尔信号状态，意味着每种状态对应的矢量角度分辨率为60°，即交轴矢量与理想值的偏差最大可达±30°。这会带来两个实际问题：其一，电机运行效率会下降，且在霍尔信号状态跳变的临界位置，效率损失会尤为明显（见图2）。
图2：梯形换相导致的电机效率损失估算结果。
其二，在霍尔信号状态的跳变点，换相矢量会直接产生60°的阶跃变化，进而造成电机扭矩突变。若霍尔信号跳变点恰好处于某一轨迹运动的稳定位置附近，这一问题会尤为突出，该位置处电机扭矩输出的非线性特性，会导致位置控制环难以维持电机的稳定定位。
正弦换相：基于编码器的控制方案
接下来介绍的换相技术为正弦换相，也被称作基于编码器的换相。该方法摒弃霍尔传感器，采用分辨率更高的位置编码器来检测转子角度（见图3）。
图3：展示了由编码器采集的转子角度信号生成的正弦换相信号波形图。
正弦换相的核心优势在于，其输出的驱动波形为正弦波，而非梯形换相的阶梯波。因此，电机旋转过程中，定子矢量会随编码器的最小位移增量持续调整，彻底消除扭矩突变问题；同时，交轴力矩的输出可实现优化，提升电机运行效率。
但采用编码器实现换相也带来一个关键问题：初始相位如何确定？对于大多数采用正弦换相的电机，解决方案是保留电机内的霍尔位置传感器，但仅将其用于初始相位标定，而非换相控制。
此外，还存在一种无需霍尔传感器的初始相位标定方法：向电机绕组通入电流，通过检测电机的微小运动来确定初始相位。该方法被称作算法式相位初始化，也俗称“唤醒抖动法”。目前该相位初始化流程尚无统一标准，具体实现方式因供应商不同而存在差异。
算法式相位初始化的应用普及度如何？在旋转式无刷直流电机中，该方法的应用相对较少，原因在于霍尔传感器成本低廉，且已是旋转式电机的标准配置；同时，算法式相位初始化存在一个显著问题：若电机静止在机械硬限位附近，或电机运行时受到较大摩擦力，可能会导致初始相位标定错误。因此，使用霍尔传感器规避这些问题的优势，通常远大于其成本劣势。
而在直线式无刷直流电机中，算法式相位初始化则是主流方案。这是因为在直线导轨上嵌入霍尔传感器的成本极高，且直线式无刷直流电机一般配备高精度轴承，运行于受控的洁净环境中，电机自身的摩擦力较低，能有效避免算法标定的误差问题。
什么是“无传感器”换相？
最后一种换相方法为无传感器控制。该方法通过专用电路检测电机的反电动势（即电机旋转时，绕组切割磁感线产生的感应电压），并提取反电动势电压波形的特征参数，以此确定换相角度，其典型检测信号见图4。
图4：展示了用于无传感器换相检测的反电动势电压波形。
利用绕组反电动势确定换相相位的方法有简有繁，图4所示为一种常用且简便的方案：在驱动电机两路绕组的同时，检测第三路悬空（非驱动）绕组的反电动势。该悬空绕组不受放大器输出指令电压的影响，其两端的电压即为反电动势，可通过检测该电压的过零点来确定换相时机。
反电动势检测方案在适用场景下效果良好，但存在显著的应用局限性，其中最主要的是：反电动势的幅值会随电机转速降低而减小。
这就导致无传感器控制无法应用于需要电机静止定位的位置控制场景。另一局限性为，反电动势信号的处理过程易受噪声干扰，这些噪声既可能来自电机外部，也可能来自为电机两路工作绕组提供电压指令的放大器 —— 通常为脉宽调制（PWM）开关桥。
尽管如此，在速度控制场景中，无传感器无刷直流电机控制已得到广泛应用，尤其适用于受控环境下、无负载相关扭矩扰动、摩擦力低，且运行速度恒定或缓慢变化的应用场景，例如硬盘主轴电机、条形码扫描仪、吊扇等。
综合以上特性，无传感器换相更适合被视作无刷直流电机的一体化速度控制技术，而非一种可独立与位置控制环或速度控制环结合使用的换相方法。
结语
需要注意的是，在无刷直流电机的控制中，换相仅是需精准协调的多项功能之一，唯有各功能协同工作，才能保障电机的平稳、均衡运行。