MCU數(shù)位控制技術助力變頻馬達性能大躍進

　　變頻馬達主要依靠半導體元件組成的電子電路來驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)，其中MCU數(shù)位控制技術的良寙攸關著馬達效率是否理想；而在MCU控制技術日趨成熟，加上FOC演算法助力之下，變頻馬達效率將逐步躍進。

　　馬達是家電產(chǎn)品中，不可或缺的動力元件，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）、直流無刷馬達（BLDC/PMSM）（亦稱變頻馬達）。事實上，馬達的分類方式可從以下幾點區(qū)分。

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　　從電源的使用上來看，可簡易分成交流馬達與直流馬達兩大類。

　　．控制方式

　　從馬達控制上來看，可以簡易分成同步控制與非同步控制（感應控制）兩大類。BLDC/PMSM馬達采用同步控制方式，系利用定子上的電流控制來同步控制馬達轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。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，感應帶動轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁場環(huán)與定子磁場環(huán)因而存在速度差。

　?。ㄗ永@線組數(shù)

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

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　　從電刷有無來看，可以簡易分成有刷馬達與無刷馬達兩大類。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(zhuǎn)子上的就是整流子），無刷馬達則是采用電子電路來取代電刷與整流子。

　　家電產(chǎn)品加速導入　高效率節(jié)能馬達商機起飛

　　驅(qū)動直流馬達在家電產(chǎn)品的使用風潮的主因有以下幾點。

　　．能源危機

　　根據(jù)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)界落實節(jié)能減碳的首要改善重點，其中直流馬達在高效率節(jié)能上的表現(xiàn)，優(yōu)于傳統(tǒng)的ACIM。直流馬達的使用，已漸成家電產(chǎn)品動力元件的趨勢。

　　據(jù)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）政策實施，目前是在宣導期，未來一旦進入強制期，將掀起一波馬達汰舊換新風潮，并刺激馬達制造商與半導體廠，加速推出更高效率的新方案。

　?。娫醇夹g進步

　　三個關鍵的電源技術--鋰電池元件、開關電源供應（Switching Power Supply）技術以及太陽能板電源技術的采用，讓家電產(chǎn)品產(chǎn)品與行動電源結(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扇，標榜為安全家電，其停電可使用電池，有電時使用轉(zhuǎn)接頭（Adaptor）透過市電供電。另外歐洲人喜歡旅游，充電式風扇可隨身攜帶，露營時沒有市電插，也可以有電風扇吹。充電式風扇除了可結(jié)合太陽能板充電，也可以利用汽車DC12伏特（V）充電，使用相當方便。

　?。?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/數(shù)位控制">數(shù)位控制IC技術成熟

　　如今微控制器（MCU）價格大幅下降，以迎合家電產(chǎn)品設計加量不加價的設計需求。此外，數(shù)位脈寬調(diào)變（PWM）控制技術成熟，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(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)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熱，例如養(yǎng)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。近年來家電機構設計強調(diào)美觀，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，例如電動起子、飲水機用水泵、醫(yī)療用氣泵等。

　　．家電新趨勢

　　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級調(diào)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(diào)產(chǎn)品等。

　　驅(qū)動高效率BLDC　MCU關鍵設計有門道

　　BLDC馬達控制主要是采用同步控制方式，更準確地說，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器（Hall或是Encoder）與無感測器（Sensorless）兩種方法，另外，電流回授主要目的在于過電流保護用。整個BLDC方案系統(tǒng)方塊圖如圖1；從圖中，可以簡易看出決定馬達產(chǎn)品效率的關鍵元件。

　　圖1　BLDC系統(tǒng)配置方塊圖

　　．Power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(zhuǎn)換效率。

　?。甅OS元件

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

　?。瓽ate Driver驅(qū)動電路

　　主要有兩種--三級管電路與閘極驅(qū)動器（Gate Driver） IC；考量重點在于Gate Driver Rising/Falling Timing所造成的開關元件損耗。

　?。甅CU

　　依據(jù)產(chǎn)品方案需求，可選擇以方波或是弦波控制，搭配馬達回授控制感測器方案與無感測器方案，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(nèi)部設計主要分成五大部分（圖2），以下列點說明。

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

　?。甈WM調(diào)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(qū)動電路控制

　　主要設定MOS死區(qū)時間（Dead-time）、外部Gate Driver電路驅(qū)動極性、防呆電路等控制方式。

　　．馬達轉(zhuǎn)子偵測電路

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

　?。R達保護電路

　　主要有馬達驅(qū)動過電流保護電路與馬達堵轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(jiān)控馬達轉(zhuǎn)子位置并監(jiān)控轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

　　4.MCU計算馬達是否到達轉(zhuǎn)速要求，利用PWM機制做轉(zhuǎn)速調(diào)整。

　　要特別注意的是，高效率馬達控制很重視換相點與定子電流的換相位置，依據(jù)馬達特性不同轉(zhuǎn)速，對換相點的補償可能會有所不同，須要依產(chǎn)品需求來做換相點控制的補償與調(diào)整，因此可以輕易地從馬達的DC Bus電流平穩(wěn)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（反電動勢是弦波），高效節(jié)能馬達控制方式采用磁場定向控制（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(diào)類壓縮機與大功率馬達應用，例如跑步機、電動摩托車等。

　　FOC方案系統(tǒng)架構圖如圖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），其運算原理主要是將馬達的三相電流的三維座標軸，轉(zhuǎn)換成二維座標軸（d和q座標軸）上。

　　FOC系采用數(shù)學方法來實現(xiàn)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，類似于DC馬達的電樞電流）

　　FOC演算法優(yōu)點在于可在最佳的扭力之下工作，當負載變化時，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(zhuǎn)子位置偵測，可精準偵測馬達轉(zhuǎn)子位置

　?。瓼OC Sensorless

　　透過兩路類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）偵測電流，經(jīng)過MCU轉(zhuǎn)換計算取得馬達轉(zhuǎn)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(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。