無刷馬達六步方波與弦波驅動的差異概論 @ 路昌工業股份有限公司

無刷馬達六步方波與弦波驅動的差異概論

六步方波(Six Step Square Wave)與弦波(Sine Wave)驅動皆是無刷馬達兩大驅動主軸，各有其優缺點與需求規格，這些差異將導致同一顆馬達與驅動器，採用不同驅動方式，所獲得的馬達動態響應、轉矩、加速度、振動、噪音及轉速都有所不同。本文將嘗試從四種方向來探討其差異性與造成的原因，分別為輸入電能、開關元件、及微控制器(MCU)及馬達特性。

一、輸入電能
電能功率(Power)是電壓(Voltage)與電流(Current)的乘積(P=Vi)，若將電壓及電流值繪於圖面上，則兩者交疊的面積就是電能功率；由此可知，面積越大則能量越大。馬達係藉由電能輸入轉換為動能輸出的裝置，在無不良的飽和設計情況下，則輸入電能越多則輸出的動能也就越大。

六步方波與弦波驅動其實代表了不同的電流輸入狀態。方波的電流圖形就如同一個長方塊，電源輸入時，電流值瞬間衝到最高，持續一段時間直到電源關閉時，電流才瞬間被切斷。其中六步方波又分為180度與120度兩種，是在描述馬達應用中不同的開度週期；這開度週期是對應無刷馬達中的反電動勢週期，其每180度電器角後會轉換極性，由N極改對應到S極。因此180度的六步方波代表磁極一開始感應到，則電流同時輸入；而120度則是從磁極開始開始感應後，延持至30度的電氣角後才開始輸入，且只持續開起120度的區間，到電氣角150度時就關閉。弦波則是180度的開度，但輸入的波型是如同一正弦波，需要時間來持續上升到最高點，再持續下降，並不如方波瞬間就衝到最高點。

若以面積來進行比較，則180度方波 > 弦波 > 120度方波，其比例關係約為180度方波為100%，弦波約為70%，120度方波為66%；則我們可知道，在相同輸入直流電壓的情況下，180度六步方波能輸入最大的電能，而弦波次之，最後則是120度方波。

另外需要注意的是電流供給情況，方波是盡可能在最短時間能就輸入最大電流值給馬達使用，而弦波則是依照波形比例關係輸入對應電流值；由於馬達轉矩變化會正比於電流值(T=k_ti)，因此六步方波的轉矩變化較為劇烈且瞬間，雖然能提供出最大瞬間轉矩值，但也會造成振動噪音的產生。

二、開關元件

在開關元件上主要有兩種型態的損失需要注意，一種稱之為導通損失，只要開關關元件上有電流經過就會產生的損失，其損失能量的大小與通過的電流值及元件內阻有關係；另一種則是稱為開關切換損失，也就是在每一次開關都會產生的狀態切換損失，因此開關的頻率越高則損失能量越大。

六步方波若沒有要使用PWM調控電壓時，其驅動開關的切換頻率與馬達轉速、磁極數成比例關係，會依馬達不同會有差別，但大多落於1000Hz以內。弦波驅動則需要利用開關元件的切換調配出弦波電流；因此，在同樣的全載無調控電壓情況下，弦波驅動除了既有的馬達驅動切換頻率外，仍比六步方波多了許多的開關次數來達成弦波效果。這增加的開關次數將會代給弦波驅動額外的損失；因此在開關元件的比較下，六步方波所產生的損失將小於弦波驅動。

另外需注意，人耳可以接受到20~20kHz之間的頻率聲音，其中約為13kHz附近最為明顯；因此在驅動馬達時，建議調整開關元件的切換頻率，盡可能避開人耳接收範圍，則可消除頻率噪音的產生。

三、微控制器

六步方波的驅動控制遠比弦波來的簡單且正確，只需要單純的接收到位置訊號後送出相對應的訊號輸出，開啟對應的開關元件；無論是採用僅有六組變化訊號的Hall Sensor，或是編碼較多的Encoder，甚至是類比訊號型的Resolver，都能輕鬆的處理。微控制器其實不用特別計算，只需要用查表的方式就能輕鬆進行馬達驅動的工作，留下大量的運算容量及處理時間來應付其他需求，如安全裝置或系統所需之控制法則；因此8 bit的MCU已經可以讓馬達動的很順暢了。

弦波驅動在使用訊號較多的Sensor時也可對照處理，解析出不錯的弦波控制結果；但搭配Hall Sensor的六組變化訊號時，就需要依靠微控制進行估測運算來達到弦波的結果，會大幅增加微控制器的負擔；在進行加減的控制時，也需要導入PID的控制法則來抑制演算誤差，這些都是佔掉了MCU的資源。因此，要進行弦波驅動的MCU規格要較好，通常會採用24bit以上的規格。

四、馬達特性

馬達的輸出能量是電場與磁場的交互作用，也就代表電能進來的位置最好是正對磁場作用的位置。有鍵於此，雖然180度的方波驅動能灌入最大的電能，但若磁場的作用僅有120度的寬度，那也是做白工而已。因此最好先觀察馬達的反電動勢，其正表示了馬達內部磁場作用情況；則電場與磁場相互配合才能產生有效的動能輸出，馬達的效率才高。