MCU數位控制技術(shù)助力變頻馬達性能大躍進(jìn)

　　變頻馬達主要依靠半導體元件組成的電子電路來(lái)驅動(dòng)馬達運轉，其中MCU數位控制技術(shù)的良寙攸關(guān)著(zhù)馬達效率是否理想；而在MCU控制技術(shù)日趨成熟，加上FOC演算法助力之下，變頻馬達效率將逐步躍進(jìn)。

　　馬達是家電產(chǎn)品中，不可或缺的動(dòng)力元件，馬達的使用量，也是生活舒適程度的指標之一。家電產(chǎn)品中，常見(jiàn)的馬達基本上有三種：交流感應馬達（AC Induction Motor， ACIM）、直流有刷馬達（Brushed DC Motor）、直流無(wú)刷馬達（BLDC/PMSM）（亦稱(chēng)變頻馬達）。事實(shí)上，馬達的分類(lèi)方式可從以下幾點(diǎn)區分。

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　　從電源的使用上來(lái)看，可簡(jiǎn)易分成交流馬達與直流馬達兩大類(lèi)。

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　　從馬達控制上來(lái)看，可以簡(jiǎn)易分成同步控制與非同步控制（感應控制）兩大類(lèi)。BLDC/PMSM馬達采用同步控制方式，系利用定子上的電流控制來(lái)同步控制馬達轉子的旋轉。ACIM馬達采用的是感應控制方式，系利用定子的電流環(huán)的控制，感應帶動(dòng)轉子，轉子磁場(chǎng)環(huán)與定子磁場(chǎng)環(huán)因而存在速度差。

　?。ㄗ永@線(xiàn)組數

　　最常見(jiàn)的有三相馬達與單相馬達，其中三相繞組還有分成Y結線(xiàn)與星型結線(xiàn)兩種。

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　　從電刷有無(wú)來(lái)看，可以簡(jiǎn)易分成有刷馬達與無(wú)刷馬達兩大類(lèi)。有刷馬達將直流電供給繞組的機構為電刷與整流子（固定在定子上的就是電刷，固定在轉子上的就是整流子），無(wú)刷馬達則是采用電子電路來(lái)取代電刷與整流子。

　　家電產(chǎn)品加速導入　高效率節能馬達商機起飛

　　驅動(dòng)直流馬達在家電產(chǎn)品的使用風(fēng)潮的主因有以下幾點(diǎn)。

　?。茉次C

　　根據國際能源總署（IEA）資料顯示，馬達是耗電量最大的應用，約占全球電力消耗46%以上，因而也成為業(yè)界落實(shí)節能減碳的首要改善重點(diǎn)，其中直流馬達在高效率節能上的表現，優(yōu)于傳統的ACIM。直流馬達的使用，已漸成家電產(chǎn)品動(dòng)力元件的趨勢。

　　據估計，從IE1升級到IE3，省電效率可提升8%。馬達最低能效標準（MEPS）政策實(shí)施，目前是在宣導期，未來(lái)一旦進(jìn)入強制期，將掀起一波馬達汰舊換新風(fēng)潮，并刺激馬達制造商與半導體廠(chǎng)，加速推出更高效率的新方案。

　?。娫醇夹g(shù)進(jìn)步

　　三個(gè)關(guān)鍵的電源技術(shù)--鋰電池元件、開(kāi)關(guān)電源供應（Switching Power Supply）技術(shù)以及太陽(yáng)能板電源技術(shù)的采用，讓家電產(chǎn)品產(chǎn)品與行動(dòng)電源結合成為新的安全家居與休閑概念產(chǎn)品。例如近年來(lái)在日本大為流行的充電式風(fēng)扇，標榜為安全家電，其停電可使用電池，有電時(shí)使用轉接頭（Adaptor）透過(guò)市電供電。另外歐洲人喜歡旅游，充電式風(fēng)扇可隨身攜帶，露營(yíng)時(shí)沒(méi)有市電插，也可以有電風(fēng)扇吹。充電式風(fēng)扇除了可結合太陽(yáng)能板充電，也可以利用汽車(chē)DC12伏特（V）充電，使用相當方便。

　?。?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/數位控制">數位控制IC技術(shù)成熟

　　如今微控制器（MCU）價(jià)格大幅下降，以迎合家電產(chǎn)品設計加量不加價(jià)的設計需求。此外，數位脈寬調變（PWM）控制技術(shù)成熟，可用同一顆IC做到方波或弦波控制，讓馬達制造商與半導體業(yè)者在廠(chǎng)物料控管上更為方便。

　?。瓺C馬達元件優(yōu)勢

　　在同樣功率下，DC馬達功率轉換效率比傳統的ACIM還要好。此外，家電產(chǎn)品因應成本降低，常須使用塑膠材料，而塑膠材料非常怕過(guò)熱，例如養生的果菜汁機、食品攪拌機等。DC馬達相較AC馬達不易發(fā)燙，因而更具優(yōu)勢。

　　另一方面，在同樣功率下，DC馬達扭力也較ACIM強。近年來(lái)家電機構設計強調美觀(guān)，有小型化設計趨勢，因此DC馬達較ACIM更合適用于體積小但要求大扭力的家電馬達產(chǎn)品，例如電動(dòng)起子、飲水機用水泵、醫療用氣泵等。

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　　居家生活品質(zhì)的提高已成為全球趨勢，DC馬達的靜音訴求與無(wú)級調速功能大量運用在新家電產(chǎn)品功能設計上，例如DC落地扇、吊扇、空調產(chǎn)品等。

　　驅動(dòng)高效率BLDC　MCU關(guān)鍵設計有門(mén)道

　　BLDC馬達控制主要是采用同步控制方式，更準確地說(shuō)，BLDC是一種雙回授控制方式。由MCU控制定子電流方向，主導轉子下一步的位置，轉子位置回授，轉子位置回授分成有感測器（Hall或是Encoder）與無(wú)感測器（Sensorless）兩種方法，另外，電流回授主要目的在于過(guò)電流保護用。整個(gè)BLDC方案系統方塊圖如圖1；從圖中，可以簡(jiǎn)易看出決定馬達產(chǎn)品效率的關(guān)鍵元件。

　　圖1　BLDC系統配置方塊圖

　?。甈ower電路

　　主要分成市電應用與DC電源應用兩種，主要設計考量為功率轉換效率。

　?。甅OS元件

　　主要為Rds規格，考量重點(diǎn)在于金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）發(fā)熱損耗。

　?。瓽ate Driver驅動(dòng)電路

　　主要有兩種--三級管電路與閘極驅動(dòng)器（Gate Driver） IC；考量重點(diǎn)在于Gate Driver Rising/Falling Timing所造成的開(kāi)關(guān)元件損耗。

　?。甅CU

　　依據產(chǎn)品方案需求，可選擇以方波或是弦波控制，搭配馬達回授控制感測器方案與無(wú)感測器方案，可以分成四種方案：方波Hall方案、方波Sensorless方案、弦波Hall方案與弦波Sensorless方案。

　?。R達材料

　　主要考量銅損、鐵損等馬達材料特性所造成的功率損耗。

　　MCU馬達控制內部設計主要分成五大部分（圖2），以下列點(diǎn)說(shuō)明。

　　圖2　PWM Edge-aligned Mode與Center-aligned Mode電路

　?。甈WM調制電路

　　主要有Edge-aligned Mode與Center-aligned Mode兩種模式。

　?。R達定子電流控制電路

　　搭配Hall Sensor Decoder與Mask電路配置決定方波控制與弦波控制方式。

　?。R達驅動(dòng)電路控制

　　主要設定MOS死區時(shí)間（Dead-time）、外部Gate Driver電路驅動(dòng)極性、防呆電路等控制方式。

　?。R達轉子偵測電路

　　利用專(zhuān)屬的Timer觀(guān)測轉子位置變化，偵測轉子轉速與堵轉與否。

　?。R達保護電路

　　主要有馬達驅動(dòng)過(guò)電流保護電路與馬達堵轉保護電路兩種模式。

　　此外，馬達控制方式基本上采用的是控制系統常用的PID控制方法（圖3），以速度環(huán)PID控制為例，其運作步驟如下。

　　圖3　馬達PID控制要素

　　1.從人機介面取得控速命令，例如VR=0.5V代表機械轉速500rpm

　　2.決定馬達定子電流控制方式，例如以方波控制或者是弦波控制。

　　3.采用Hall或者是Sensorless方式監控馬達轉子位置并監控轉子轉速。

　　4.MCU計算馬達是否到達轉速要求，利用PWM機制做轉速調整。

　　要特別注意的是，高效率馬達控制很重視換相點(diǎn)與定子電流的換相位置，依據馬達特性不同轉速，對換相點(diǎn)的補償可能會(huì )有所不同，須要依產(chǎn)品需求來(lái)做換相點(diǎn)控制的補償與調整，因此可以輕易地從馬達的DC Bus電流平穩度，看出馬達控制是否牢靠。

　　FOC演算法助力　PMSM控制效率升級

　　針對PMSM（反電動(dòng)勢是弦波），高效節能馬達控制方式采用磁場(chǎng)定向控制（Field Oriented Control， FOC）方式控制，搭配這種弦波電流方式控制，可以達到最高效率，主要應用于空調類(lèi)壓縮機與大功率馬達應用，例如跑步機、電動(dòng)摩托車(chē)等。

　　FOC方案系統架構圖如圖4，A線(xiàn)的右邊可以說(shuō)是用定子的角度來(lái)看系統變化，而A線(xiàn)的左邊就是以轉子的角度來(lái)看系統變化。

　　圖4　FOC演算架構圖

　　FOC是用向量來(lái)代替定子電流做控制，一般又稱(chēng)為向量控制（Vector Control），其運算原理主要是將馬達的三相電流的三維座標軸，轉換成二維座標軸（d和q座標軸）上。

　　FOC系采用數學(xué)方法來(lái)實(shí)現三相馬達的力矩和勵磁的解耦控制，因此定子電流可以被看成勵磁電流Id（產(chǎn)生勵磁）或交軸電流Iq（控制電磁力矩，類(lèi)似于DC馬達的電樞電流）

　　FOC演算法優(yōu)點(diǎn)在于可在最佳的扭力之下工作，當負載變化時(shí)，速度回應快速而精確，讓馬達的暫態(tài)效率得到優(yōu)化，且在動(dòng)態(tài)反應中，能夠達到非常精準的可變速度之控制。

　　FOC方案設計亦可分成有FOC-Hall與FOC-Sensorless兩種方式（圖5）。

　　圖5　FOC-Hall與FOC-Sensor-less電路架構圖

　?。瓼OC Hall

　　利用Hall訊號做轉子位置偵測，可精準偵測馬達轉子位置

　?。瓼OC Sensorless

　　透過(guò)兩路類(lèi)比數位轉換器（ADC）偵測電流，經(jīng)過(guò)MCU轉換計算取得馬達轉子位置。

　　要特別注意的是，要做到精準的Ia/Ib電流檢測，除ADC轉換速度的規格，通常須要求到1Mbit/s的采樣速率之外，包含印刷電路板（PCB）設計與外部濾波電路的搭配，再加上MCU演算法的熟悉，環(huán)環(huán)相扣，都是相當重要的。