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技術專欄

2019-08-29

淺談BLDC-無刷直流馬達的控制

※無刷馬達簡介

一個使用有刷馬達的運動系統可以提供一個好的,簡單且有效率的解決方案滿足可變速度驅動的要求。

雖然有刷馬達有良好控制特性及耐用性,但其性能與運用的範圍因為有火花與換相問題而有所限制。

由於近代科技的進步與微控制器的運算處理和控制技巧的發展,無刷馬達不再需要藉由機械式電刷換相(mechanical commutation)結構來完成電流相位變換;相反地,是採用電子式換相(electronic commutation)來達成需求。

跟有刷馬達一樣的是無刷馬達也有線圈跟永久磁鐵的部分。但差異點在於,對無刷馬達(Figure 3)而言,線圈現在是附著在定子(Figure 2)上,而轉子(Figure 1) 轉子是永久磁鐵做的。

轉子上的永久磁鐵生成磁通,而通電的定子繞組產生磁極。藉由使用適當的序列為定子相位供電,便可在定子上形成一個旋轉磁場。轉子跟隨著旋轉的磁極便會產生轉矩而旋轉。

 

對無刷馬達來說,這種新的機械結構的安排,相較於有刷馬達,提供了一些優勢,其中包括:

● 較好的速度-力矩特性: 無刷馬達不再因有刷結構的接觸摩擦而損失輸出力矩。

● 高動態反應: 因無刷馬達的轉子是由永久磁鐵組成,可以有較低的轉動慣量。

● 高效率與可靠性: 無刷馬達不再有換相結構上因接觸問題而導致的電壓降(損失)等等問題

● 長時操作壽命: 無刷馬達無須考量電刷換相結構的後續維護

● 較低的電子噪雜音: 因為沒有電刷換相時的電弧所產生的電子訊號雜訊而引發電磁干擾的問題。

● 較高的速度範圍: 無刷馬達沒有電刷換相接觸部分的限制

● 可改善的馬達特性: 無刷馬達因改用電子式換相,可利用電路技術來改善換相行為。

有著這些優勢,無刷馬達在很多應用場合上扮演著重要的角色,其中包括:

§ 汽機車產業應用:

(1) 電動車以及混和動力車輛

(2) 電動摩托車以及電動腳踏車

(3) 電動滑板
 

§ 家庭設備:

(1) 攪拌機

(2) 手持電動工具

(3) 電扇

(4) 掃地機器人

(5) 抽排油煙機

(6) 洗衣機

(7) 室內空調設備以及冰箱
 

§ 工業應用:

(1) 線性馬達

(2) 伺服馬達

(3) 射出成形設備

(4) 工業機器人

(5) 自動搬運設備

※無刷馬達運行原理

基本的電機馬達是一種可以將電能轉換成機械能的設備。

這種能量的轉換起始於將電流導入一根或數根的導線的方式來產生磁力場。

接下來,因為磁場的極性關係,使得導線產生的磁場與永久磁鐵產生相吸或相斥的力量而引起移動。

在無刷馬達上,為了能產生特定的磁場順序去驅動轉子,則需要知道轉子上永久磁鐵的位置。兩個主要用來偵測轉子位置的方式有:

● 霍爾感應器: 安裝在定子上來偵測轉子的位置,提供功率元件的觸發時序(Figure 4)。

 

● 反電動勢訊號偵測: 此偵測方式為無感測器(sensorless)的主要技術。藉由量測未激磁相的端電壓(反電動勢)來估測馬達轉子的位置。因為使用反電動勢的訊號作為轉子位置的訊息,所以在靜止與啟動之間(尚未建立或未識別出反電動勢訊號前)需要做特別的控制處理。

藉由上述兩種方式而得到轉子位置的資訊來切換電流流經的路徑,便可以使無刷馬達完成換相並開始週期性的旋轉行為。

無刷馬達較常用的換相技術有六步(six-step)方波,弦波以及磁場導向控制(FOC)(或稱向量控制(vector control))。

1. 六步方波

使用六步方波的驅動方式時,多數直接採用霍爾感應元件來感測轉子的位置。這是一種簡單的也是最受歡迎的驅動方式。以一個常用的三相馬達為例子,以電氣角的變換觀點來看,其相電流導通120度電氣角後,關閉60度,接著以反方向導通120度後再關閉60度(Figure 6)。主要的控制原則就是讓電流只流過三組繞線中的兩組繞線,便可以讓無刷馬達產生轉動。

一般最基礎用來達成驅動三相馬達的功率端的電路架構為三相橋式變換器電路。
Figure 5是一個基礎概念的三相橋式變換器電路。

 

在六步方波的驅動方式下,如果霍爾感應器是被用來偵測轉子位置,則橋式變換器的開啟與關閉時機便如Figure 6所示。
三相電流流動的方向如Figure 7所標示。

 

1. 弦波

以弦波取代方波來驅動無刷馬達。在每相線圈中依特定時序施加弦波形式的電壓來控制馬達電流的流入與流出。採取此方式來驅動馬達時,僅以霍爾元件所感測的轉子位置的解析度是不足的。通常還需有一高解析度的感測器來回授轉子位置。

2. 磁場導向控制(FOC)

此控制方法需較為複雜的電路設計以及高運算能力的微控制器。此方式是採取計算電流與電壓向量為基礎來決定馬達的換相時機。此方式主要是以控制電流為主,所以可使用在一些經常切換速度但要求特定力矩輸出的應用場合。

 

※速度-力矩 圖

Figure 9是一般常見的無刷馬達的速度-力矩圖。無刷馬達的兩個力矩參數包含堵轉力矩以及額定力矩。

堵轉力矩是在圖面上的一點,當馬達輸出軸不旋轉,但力矩輸出為最大值的點。

額定力矩是圖面上的另一點,是當馬達運轉時運作在較高效率的點。

在給定的應用中,選擇正確形式的馬達是非常重要的。而所依據的參數中包括最大輸出力矩以及期望的速度操作範圍。

如果應用中有很頻繁的啟動及停止,甚至是在有額外的外在負載下頻繁的反轉,則馬達將會被操作在額定輸出力矩跟堵轉力矩中間的區域。當馬達開始旋轉時是處於從靜止的狀態進入加速的狀態時,須有較大的輸出力矩用以克服外部負載以及馬達本身的慣量。在此階段,甚至會需要用到最大的力矩,也就是堵轉力矩。

如果應用上並無頻繁的速度變化,則可以讓馬達操作在額定的速度。當馬達應用在某一特定的操作速度區間時,選擇馬達的額定速度高於平均的運行速度是較為保險的作法。

 

※無刷馬達的應用

● 固定負載的應用

在一些應用上,允許稍微的速度變化比維持精準的速度來的重要。這些應用中,其負載通常是直接與馬達輸出軸結合的,比如風扇。這種應用通常要求的是低成本的控制器,運作方式主要是採用所謂的開迴路。

● 變動負載的應用

這種應用是要求馬達 的速度變化範圍要很廣泛。這些應用例子也許會要求高速控制的精確度並且有好的動態反應。常見的應用包含在一般家庭的電動設備,洗(乾)衣機,冷氣壓縮機,幫浦以及機器人。

● 定位應用

在這個應用範疇中,通常系統是需要使用閉迴路控制。主要的控制功能須包含力矩控制,速度控制以及位置控制。為達到閉迴路控制,亦須要有所謂的感測器(比如:編碼器)來提供馬達的實際速度與位置。

淺談BLDC-無刷直流馬達的控制