馬達控制設計：關鍵第一步
作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，Power Electronics News & EEWeb主編
馬達要求因應用而異，必須針對特定用例進行最佳化和微調。市場在IGBT、寬能隙半導體和MCU方面提供了多種解決方案來滿足這些要求...
馬達控制系統主要由軟體和硬體組成，硬體元件又包括IGBT、寬能隙(WBG)半導體和微控制器(MCU)，這些元件正變得越來越複雜。
馬達控制在工業4.0的技術發展中發揮著重要的策略作用。工業發展中的一個關鍵問題是能源使用，電力消耗正在顯著增加，部份原因在於工業馬達的電力需求。由於這些不斷增加的需求，在馬達控制領域尋找有效的解決方案，是開發商和元件製造商等廠商的首要任務。
隨著能源消耗的增加，由於涉及許多需要大量努力的電子技術之嚴格控制要求，設計複雜性也在增加中。一個例子是使用寬能隙材料。
從功能的角度來看，馬達控制由幾個層次組成。例如，動作控制需要執行非常複雜的運算密集型控制演算法。馬達控制涵蓋廣泛的應用，從風扇和泵的簡單控制到更複雜的工業控制問題，包括機器人和伺服機構。本文介紹設計馬達控制系統的關鍵第一步：掌握幾種重要元件，包括馬達和驅動器、IGBT、GaN和SiC以及MCU等。
馬達和驅動器
直流(DC)馬達是最常見的，因為它更便宜並且由定子(固定部份，即永磁體)和轉子(移動部份)組成，後者包含連接到用於提供電流的換向器繞組。馬達的速度控制是透過調節DC電流而實現的。為此，根據應用的性質，會使用全橋、半橋或降壓轉換器來驅動DC馬達。
交流(AC)馬達基本上由變壓器組成，其初級部份連接到AC電壓，次級部份則會傳導感應的次級電流。基於微處理器的電子電路、逆變器和訊號調節用於控制該馬達的速度。
控制器是一種電子元件，在控制系統中充當「大腦」。使用的控制器數量，根據需要控制的單一過程之數量而有所不同。對於一個複雜的系統，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個都可以向馬達發送命令，同時從執行器本身接收指令。
工業應用中使用的機器人系統，主要使用由AC電壓供電的三相馬達。例如，圖1顯示電子控制電路的方塊圖，其中採用專用MCU產生PWM訊號。作為MCU的替代方案，DSP或FPGA解決方案更適合實現複雜的數位濾波演算法。
圖1：AC供電的三相感應馬達控制方塊圖。(圖片來源：德州儀器)
DC馬達控制器的一個例子是Trinamic公司的TMCM-1637 5A RMS和TMCM-1638 7A RMS插槽型模組，它們帶有兩個磁場定向控制器/驅動器，為磁場定向控制(或向量控制)添加霍爾和ABN編碼器功能。這兩個模組支援單相DC馬達、兩相雙極步進馬達和三相無刷直流(BLDC)馬達(圖2)。
圖2：TMCM-163x解決方案。(圖片來源：Trinamic)
IGBT
絕緣閘雙極電晶體(IGBT)體現了電力電子技術的真正創新。作為開關解決方案，創新來自於高開關頻率。IGBT代表電力電子元件的基本功能，非常適合解決複雜的馬達控制問題。
最新的解決方案在特別極端的使用條件下(例如在汽車產業使用逆變器驅動馬達時)在開關速度和行為穩定性之間建立了良好的關係。一個例子是意法半導體(ST)的1,200V IGBT S系列。這些IGBT針對低頻(高達8kHz)使用進行了最佳化，並具有低Vce(sat)的特點。1,200V IGBT S系列基於第三代溝槽式閘極場截止(trench-gate field-stop)技術。
GaN和SiC
然而，作為矽基元件的替代品，寬能隙材料氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)正在馬達控制應用中取得進展。在電力電子領域，寬能隙材料提供的主要優勢包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度(遠超過矽可實現的150℃上限)、在困難的工作條件下可實現更高的可靠性，以及高擊穿電壓。
例如，GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)更高的電子遷移率可實現更快的開關速度，因為通常在接合處積累的電荷可以更快地分散。GaN可以實現更快的上升時間、更低的漏源導通電阻(RDS(on))值以及更低的閘極電容和輸出電容，這一切都有助於其低開關損耗，以及與矽相比以高達10倍的開關頻率工作的能力。
降低功率損耗可帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱和更簡單的冷卻系統。許多馬達控制應用需要用風扇來提供強制空氣冷卻，以便在設備的安全運行限制內運行。透過使用GaN，可以降低功耗並實現「無風扇」操作，這在電子無人機等羽量級應用中尤為重要。
在工業電源應用中，電子設計人員也可以透過使用SiC MOSFET來獲得好處，這種元件與傳統的矽基解決方案(如IGBT)相比，可以提供顯著的效率提升、更小的散熱器尺寸和更低的成本。SiC技術在其體二極體關閉後發生的反向恢復階段實現了非常低的每單位面積RDS(on)、高開關頻率和可忽略的能量損失。
由於節能、減小尺寸、更高整合度和可靠性等特性，在馬達控制和電力控制應用中使用SiC元件是一項真正的突破。這些特性使其非常適合汽車和工業自動化控制等高可靠性領域。
在工業驅動器中，必須特別注意導通和關斷的換向速度。事實上，SiC MOSFET dv/dt可以達到比IGBT更高得多的程度。如果處理不當，高換向dv/dt會增加長馬達電纜上的電壓突波，並可能產生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，進而導致繞組絕緣和馬達軸承出現故障。儘管更快的開/關速度可提高效率，但出於可靠性原因，工業驅動器中的典型dv/dt通常設置為5至10V/ns。
ST對兩種類似的1.2kV功率電晶體(SiC MOSFET和矽基IGBT)進行的比較，表明了與Si IGBT相比，即使在5V/ns的強加條件下，SiC MOSFET元件也能保證更少的導通和關斷能量損耗(圖3)。
圖3：基於兩電平、三相逆變器的驅動器。(圖片來源：ST)
除了其他選項外，現在可以在逆變器電路中為連接的馬達使用最佳開關頻率，這在馬達設計中具有重要優勢。
例如，英飛凌科技(Infineon Technologies)基於SiC的CoolSiC MOSFET採用了.XT互連技術，以及針對1,200V最佳化的D²PAK-7 SMD封裝，可在伺服驅動器等功率密度關鍵型馬達驅動器領域實現無源冷卻，從而支持在機器人和自動化產業實現免維護和無風扇馬達的逆變器(圖4)。
在自動化方面，由於節省了維護和材料方面的成本和精力，無風扇解決方案帶來了新的設計機會。例如，英飛凌採用.XT互連技術的CoolSiC溝槽MOSFET晶片解決方案，以小尺寸提供了極具吸引力的散熱能力，使其非常適合在機械手臂中整合驅動器。CoolSiC MOSFET SMD元件的短路耐受時間為3µs，額定值為30mΩ至350mΩ，因此符合伺服馬達的要求。
圖4：所有操作模式下的傳導損耗降低。(圖片來源：英飛凌科技)
MCU
馬達控制解決方案由硬體和軟體元件組成。硬體部份是電子控制元件，如IGBT、SiC和GaN MOSFET、功率二極體等，而軟體部份解決的是硬體的控制，這正變得越來越複雜和精密。隨著針對功率元件的控制和管理最佳化的運算架構出現，開發人員能夠獲得在控制領域無法獲得的性能。
恩智浦半導體(NXP)和瑞薩電子(Renesas)兩家公司提供了相關案例。恩智浦MPC57xx系列32位元處理器基於Power Architecture技術，適用於汽車和工業動力傳動應用，以及其他可能的汽車控制和功能管理。這類處理器提供了AEC-Q100品質、用於防篡改的晶片安全加密保護，以及對ASIL-D和SIL-1功能安全(ISO 26262/IEC 61508)的支援。它們可為不同的通訊協定提供乙太網路(FEC)、雙通道FlexRay和多達6個SCI/8個DSPI/2個I2C。
瑞薩電子提供基於Arm Cortex-M4核心的RA6T1 32位元MCU，工作頻率為120MHz，並帶有一系列針對高性能和精密馬達控制進行了最佳化的周邊裝置。單個RA6T1 MCU最多可以同時控制兩個BLDC馬達。此外，針對TinyML應用的Google TensorFlow Lite Micro架構為RA6T1 MCU增加了增強的故障檢測功能，可為客戶提供智慧、易於使用、高性價比的無感測器馬達系統而用於預測性維護。
馬達要求因應用而異，可能需要針對特定用例進行最佳化和微調。市場在IGBT、寬能隙半導體和MCU方面提供了多種解決方案來滿足這些要求。然而，需要開發新的硬體來從處理器中卸載即時關鍵任務，同時支持更多的診斷、預測性維護和人工智慧以及功能安全系統。
(參考原文：Designing Motor Control Key Aspects，by Maurizio Di Paolo Emilio)
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