MCU數(shù)位控制IC技術(shù)日趨成熟

　　變頻馬達(dá)主要依靠半導(dǎo)體元件組成的電子電路來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，其中MCU數(shù)位控制技術(shù)的好壞關(guān)系著馬達(dá)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(dá)效率將逐步躍進(jìn)。

　　馬達(dá)是家電產(chǎn)品中，不可或缺的動(dòng)力元件，馬達(dá)的使用量，也是生活舒適程度的指標(biāo)之一。家電產(chǎn)品中，常見的馬達(dá)基本上有三種：交流感應(yīng)馬達(dá)（AC Induction Motor， ACIM）、直流有刷馬達(dá)（Brushed DC Motor）、直流無刷馬達(dá)（BLDC/PMSM）（亦稱變頻馬達(dá)）。事實(shí)上，馬達(dá)的分類方式可從以下幾點(diǎn)區(qū)分。

　　電源

　　從電源的使用上來看，可簡(jiǎn)易分成交流馬達(dá)與直流馬達(dá)兩大類。

　　控制方式

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

　　定子繞線組數(shù)

　　最常見的有三相馬達(dá)與單相馬達(dá)，其中三相繞組還有分成Y結(jié)線與星型結(jié)線兩種。

　　電刷

　　從電刷有無來看，可以簡(jiǎn)易分成有刷馬達(dá)與無刷馬達(dá)兩大類。有刷馬達(dá)將直流電供給繞組的機(jī)構(gòu)為電刷與整流子（固定在定子上的就是電刷，固定在轉(zhuǎn)子上的就是整流子），無刷馬達(dá)則是采用電子電路來取代電刷與整流子。

　　家電產(chǎn)品加速導(dǎo)入高效率節(jié)能馬達(dá)商機(jī)起飛

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

　　能源危機(jī)

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

　　據(jù)估計(jì)，從IE1升級(jí)到IE3，省電效率可提升8%。馬達(dá)最低能效標(biāo)準(zhǔn)（MEPS）政策實(shí)施，目前是在宣導(dǎo)期，未來一旦進(jìn)入強(qiáng)制期，將掀起一波馬達(dá)汰舊換新風(fēng)潮，并刺激馬達(dá)制造商與半導(dǎo)體廠，加速推出更高效率的新方案。

　　電源技術(shù)進(jìn)步

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

　　數(shù)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(shè)計(jì)加量不加價(jià)的設(shè)計(jì)需求。此外，數(shù)位脈寬調(diào)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(dá)制造商與半導(dǎo)體業(yè)者在廠物料控管上更為方便。

　　DC馬達(dá)元件優(yōu)勢(shì)

　　在同樣功率下，DC馬達(dá)功率轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)的ACIM還要好。此外，家電產(chǎn)品因應(yīng)成本降低，常須使用塑膠材料，而塑膠材料非常怕過熱，例如養(yǎng)生的果菜汁機(jī)、食品攪拌機(jī)等。DC馬達(dá)相較AC馬達(dá)不易發(fā)燙，因而更具優(yōu)勢(shì)。

　　另一方面，在同樣功率下，DC馬達(dá)扭力也較ACIM強(qiáng)。近年來家電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)美觀，有小型化設(shè)計(jì)趨勢(shì)，因此DC馬達(dá)較ACIM更合適用于體積小但要求大扭力的家電馬達(dá)產(chǎn)品，例如電動(dòng)起子、飲水機(jī)用水泵、醫(yī)療用氣泵等。

　　家電新趨勢(shì)

　　居家生活品質(zhì)的提高已成為全球趨勢(shì)，DC馬達(dá)的靜音訴求與無級(jí)調(diào)速功能大量運(yùn)用在新家電產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)上，例如DC落地扇、吊扇、空調(diào)產(chǎn)品等。

　　驅(qū)動(dòng)高效率BLDC　MCU關(guān)鍵設(shè)計(jì)有門道

　　BLDC馬達(dá)控制主要是采用同步控制方式，更準(zhǔn)確地說，BLDC是一種雙回授控制方式。由MCU控制定子電流方向，主導(dǎo)轉(zhuǎn)子下一步的位置，轉(zhuǎn)子位置回授，轉(zhuǎn)子位置回授分成有感測(cè)器（Hall或是Encoder）與無感測(cè)器（Sensorless）兩種方法，另外，電流回授主要目的在于過電流保護(hù)用。整個(gè)BLDC方案系統(tǒng)方塊圖如圖1;從圖中，可以簡(jiǎn)易看出決定馬達(dá)產(chǎn)品效率的關(guān)鍵元件。

圖1　BLDC系統(tǒng)配置方塊圖

　　Power電路

　　主要分成市電應(yīng)用與DC電源應(yīng)用兩種，主要設(shè)計(jì)考量為功率轉(zhuǎn)換效率。

　　MOS元件

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

　　Gate Driver驅(qū)動(dòng)電路

　　主要有兩種三級(jí)管電路與閘極驅(qū)動(dòng)器（Gate Driver） IC;考量重點(diǎn)在于Gate Driver Rising/Falling Timing所造成的開關(guān)元件損耗。

　　MCU

　　依據(jù)產(chǎn)品方案需求，可選擇以方波或是弦波控制，搭配馬達(dá)回授控制感測(cè)器方案與無感測(cè)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。

　　馬達(dá)材料

　　主要考量銅損、鐵損等馬達(dá)材料特性所造成的功率損耗。

　　MCU馬達(dá)控制內(nèi)部設(shè)計(jì)主要分成五大部分（圖2），以下列點(diǎn)說明。

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

　　PWM調(diào)制電路

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

　　馬達(dá)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。

　　馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路控制

　　主要設(shè)定MOS死區(qū)時(shí)間（Dead-time）、外部Gate Driver電路驅(qū)動(dòng)極性、防呆電路等控制方式。

　　馬達(dá)轉(zhuǎn)子偵測(cè)電路

　　利用專屬的Timer觀測(cè)轉(zhuǎn)子位置變化，偵測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與堵轉(zhuǎn)與否。

　　馬達(dá)保護(hù)電路

　　主要有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)過電流保護(hù)電路與馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路兩種模式。

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

圖3　馬達(dá)PID控制要素

　　1.從人機(jī)介面取得控速命令，例如VR=0.5V代表機(jī)械轉(zhuǎn)速500rpm

　　2.決定馬達(dá)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(jiān)控馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置并監(jiān)控轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

　　4.MCU計(jì)算馬達(dá)是否到達(dá)轉(zhuǎn)速要求，利用PWM機(jī)制做轉(zhuǎn)速調(diào)整。

　　要特別注意的是，高效率馬達(dá)控制很重視換相點(diǎn)與定子電流的換相位置，依據(jù)馬達(dá)特性不同轉(zhuǎn)速，對(duì)換相點(diǎn)的補(bǔ)償可能會(huì)有所不同，須要依產(chǎn)品需求來做換相點(diǎn)控制的補(bǔ)償與調(diào)整，因此可以輕易地從馬達(dá)的DC Bus電流平穩(wěn)度，看出馬達(dá)控制是否牢靠。

　　FOC演算法助力　PMSM控制效率升級(jí)

　　針對(duì)PMSM（反電動(dòng)勢(shì)是弦波），高效節(jié)能馬達(dá)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(dá)到最高效率，主要應(yīng)用于空調(diào)類壓縮機(jī)與大功率馬達(dá)應(yīng)用，例如跑步機(jī)、電動(dòng)摩托車等。

　　FOC方案系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4，A線的右邊可以說是用定子的角度來看系統(tǒng)變化，而A線的左邊就是以轉(zhuǎn)子的角度來看系統(tǒng)變化。

圖4　FOC演算架構(gòu)圖

　　FOC是用向量來代替定子電流做控制，一般又稱為向量控制（Vector Control），其運(yùn)算原理主要是將馬達(dá)的三相電流的三維座標(biāo)軸，轉(zhuǎn)換成二維座標(biāo)軸（d和q座標(biāo)軸）上。

　　FOC系采用數(shù)學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)三相馬達(dá)的力矩和勵(lì)磁的解耦控制，因此定子電流可以被看成勵(lì)磁電流Id（產(chǎn)生勵(lì)磁）或交軸電流Iq（控制電磁力矩，類似于DC馬達(dá)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(dāng)負(fù)載變化時(shí)，速度回應(yīng)快速而精確，讓馬達(dá)的暫態(tài)效率得到優(yōu)化，且在動(dòng)態(tài)反應(yīng)中，能夠達(dá)到非常精準(zhǔn)的可變速度之控制。

　　FOC方案設(shè)計(jì)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(gòu)圖

　　FOC Hall

　　利用Hall訊號(hào)做轉(zhuǎn)子位置偵測(cè)，可精準(zhǔn)偵測(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置

　　FOC Sensorless

　　透過兩路類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）偵測(cè)電流，經(jīng)過MCU轉(zhuǎn)換計(jì)算取得馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置。

　　要特別注意的是，要做到精準(zhǔn)的Ia/Ib電流檢測(cè)，除ADC轉(zhuǎn)換速度的規(guī)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(shè)計(jì)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(dāng)重要的。