瞭解馬達控制的基礎知識

作者 : Stefano Lovati

本文介紹每位設計人員、製造商或學生在面對馬達控制應用時所必須掌握的基本概念...

馬達廣泛用於多種電子應用中,可以說它們無處不在。在我們的家中,有多個例子,例如風扇、吹風機、暖風機和廚房用具等等。如果再考慮汽車,我們很快就會發現車內有不同類型的馬達:加熱系統、冷卻風扇、電動車窗、電動後視鏡和座椅控制裝置等等。

本文將基於Qorvo公司出版的“For dummies”系列電子書,介紹每位設計人員、製造商或學生在面對馬達控制應用時所必須掌握的基本概念。

有刷馬達與無刷馬達

市場上有不同類型的馬達,設計人員必須根據具體應用的技術和經濟要求進行選擇。馬達的主要類別有以下幾種:有刷、無刷——又分為無刷直流馬達(Brushless DC Motor;BLDC)和永磁同步馬達(permanent-magnet synchronous motor;PMSM)、感測和步進等類型的馬達。圖1顯示上述四種類型的馬達,並總結每種馬達的主要優缺點。

 圖1:四種主要類型的馬達。(圖片來源:Qorvo)

對於各種應用,BLDC和PMSM這兩種密切相關的無刷馬達越來越受歡迎。這些馬達不需要電刷或換向器,使其比有刷馬達更有效,並能顯著延長馬達壽命。

有刷馬達中的電刷/換向器介面產生換向,也即切換各相中的電流以產生旋轉磁場的過程,從而引起運動。這種相互作用會引起摩擦和電弧,這兩者都是不希望的。

BLDC和PMSM兩種馬達使用電子產生的旋轉磁場來消除電刷和換向器。提供給相位的電壓和電流,使用專為完成此任務而設計的外部電路進行調變。

BLDC馬達和PMSM馬達儘管更複雜,但與傳統有刷馬達相比具有顯著優勢。它們的電子換向技術比以相同速度運行的有刷馬達更可靠、更小、更輕、更安靜,能效提高了20%至30%。

在有刷馬達中,繞組位於轉子上,而在無刷馬達中,它們位於定子上。由於永磁體和繞組在馬達內的佈置方式,因此不需要電刷。需要一個電子控制器來控制流向BLDC馬達或PMSM馬達定子線圈的電流。

與交流感應馬達相比,BLDC馬達和PMSM馬達可實現精確的速度控制,更適合變速應用,並具有出色的速度與轉矩特性。

馬達控制器

由於BLDC馬達和PMSM馬達均採用電子換向,因此它們需要採用專用電路來提供準確的線圈通電時序,從而確保準確的調速、轉矩控制和效率最佳化。

今天,該電路(也稱為馬達控制器)已被整合至一個用於驅動外部(在某些情況下是內部)大功率MOSFET的高性能微控制器(MCU)中。整合解決方案的主要好處有二:

  • 它簡化了馬達驅動電路的設計,將複雜性轉移到微控制器內部;
  • 它減少了外部元件(BOM)的數量,從而降低了成本。

馬達控制器中所實現的最重要的功能如下:

  • 調節馬達速度、轉矩或功率輸出;
  • 啟動階段的控制(軟啟動);
  • 防止電路故障和超載;
  • 加速和減速曲線。

馬達驅動類型

BLDC馬達和PMSM馬達都可以視為同步馬達。施加到定子相位的換向會產生旋轉磁場,而轉子上的磁極則會試圖趕上同步。這會導致馬達旋轉,如果施加換向,馬達會繼續旋轉。

當將載流導體置於磁場中或有導體切割磁場時,導體中會感應或產生出電動勢(EMF)。閉合路徑是允許電流流過的路徑。由於馬達中感應的電動勢與發馬達的電動勢相反,因此在任何馬達中因運動而產生的電動勢稱為反電動勢。

BLDC和PMSM兩種馬達的定子繞組幾何形狀不同,這會導致不同的反電動勢(BEMF)回應。

更準確地說,BLDC BEMF回應是梯形的,而PMSM具有正弦BEMF(見2)。這是因為在PMSM中,線圈以正弦方式纏繞,從而會產生正弦BEMF特徵(非常類似於相位相隔120°的三個正弦波)。

圖2:BLDC和PMSM兩種馬達的BEMF。(圖片來源:Qorvo)

由於BEMF波形不同,因此每種馬達類型都需要不同的控制。

梯形控制和FOC控制

為了獲得控制PMSM馬達所需的正弦波形,需要使用磁場定向控制(FOC)演算法。FOC是使用兩個正交分量對三相馬達中的定子進行的變頻控制。一個是由定子產生的磁通量,而另一個是由轉子位置所確定的馬達速度所定義的轉矩。

在正弦換向中,所有三根導線都受到一個每相相隔120°的正弦電流連續通電。這會在在馬達鼠籠內產生一個旋轉的南北磁場。為了正確運行,FOC演算法需要知道馬達的位置和速度。

與PMSM馬達控制相比,BLDC馬達控制更容易、更簡單且成本更低。然而,後者在電流波形中實現了更低的雜訊和更少的諧波。通常,BLDC馬達使用六步梯形演算法性能更好,而PMSM馬達則使用正弦波換向演算法性能更好。

有感測器馬達和無感測器馬達

帶感測器的BLDC馬達和PMSM馬達在馬達定子中嵌入使用了三個霍爾感測器(每相一個)。這樣可以讓控制器知道轉子位置,從而確定哪個部份需要通電以及何時通電。

帶感測器的馬達更昂貴,需要採用更多佈線並增加了生產的複雜性。出於這些原因,無感測器馬達在許多應用中變得流行起來。無感測器馬達需要透過演算法將馬達用作感測器來運行,並依賴於BEMF資訊。在控制BLDC馬達的傳統六步梯形換向演算法中,在任何給定時間只有兩相通電。另一相是浮動的,因此提供了瞭解馬達BEMF的視窗。透過對該BEMF進行採樣,可以推斷出轉子位置,從而無需使用基於硬體的感測器。

無感測器演算法的主要缺點是在啟動期間,此時BEMF (與馬達速度成正比)為零。如果沒有BEMF,則無法確定轉子位置。然而,將高頻訊號注入三相以推斷轉子位置的新演算法,可以克服這個問題。

馬達控制器

當今的整合馬達控制器,如3所示的單晶片系統(SoC),在單個晶片中包含了控制馬達運行所需的所有類比和數位元件。

3所示,微控制器核心具有類比前端、電源驅動器、電源管理、脈寬調變(PWM)產生器和序列驅動資料獲取。電源管理器還能處理系統功能,包括內部參考產生、計時器、休眠模式管理以及電源和溫度監控。

圖3:高度整合的BLDC馬達控制器/驅動器。(圖片來源:Qorvo)

將所有這些模組整合到單個元件中,而不是使用離散式元件,為所有應用提供了一個緊湊的軟體可配置解決方案,因而簡化了設計並降低成本和上市時間。

(參考原文:Learning the Basics of Motor Control,by Stefano Lovati)

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