馬達驅動細部概念淺談(1)

 

何謂馬達驅動? 

    關於馬達驅動,筆者所聽過最好的註解為“在對的時間送電給馬達,即為驅動”,這句話真可謂是言淺義深阿!!!讓人十分容易明白馬達驅動所要做工作,同時也描述了最難做的部份”對的時間”。 

    要面對”對的時間”之前,還有一項”送電”的事前工作需處理,也就是熟稱的驅動電路。它所擔任的角色,僅是個可控制的供電系統,但它仍須具備以下幾點能力,以確保可順利完成工作

1. 供電能力大小,需與馬達需求匹配。

2. 可接收控制命令運作,需與控制器搭配。

3. 訊號及能源可正常傳輸,不受到雜訊或電磁波干擾。

4. 能量傳輸效率高。

5. 於操作環境下,可正常運作。

6. 安全保護能力。

要能順利達到以上幾點,講究的是電子零件規格選定、電路板佈置技術及散熱設計等,屬於硬體的部份。 

    有了完善的驅動電路後,才能討論”對的時間”;雖然使用時間做為名詞,但其真正表示的意思為”位置”,即為馬達轉子當下的旋轉位置,或可稱為角度。方程式(1)為馬達轉矩計算公式,請注意式子當中有個圖1表示馬達電流 與磁場 的夾角,當Sin(90°)=1為最大值,而Sin(0°)=0為最小值,因此僅有在”對的夾角位置”送”電流”給馬達,方可達到最佳的輸出效果。

圖2圖3圖4      (1)

 

如何做到對的時間 

    要做到”對的時間”,第一關是獲得馬達轉子正確的位置,即需依賴位置感測器的運用。然而位置判斷會受到感測器解析度、安裝位置、訊號處理、資料傳輸、程式計算等程序,產生誤差的現象,其可能原因分析如下。

1. 解析度不足會導致感測器無法直接標示出該送電的位置點,需要再經由訊號處理的技巧間接求得。

2. 若具備有充分解析度的感測器,則無須擔心安裝問題,反之若安裝位置偏差亦無法直接標示正確位置點。

3. 感測器所提供的為電子訊號,使用上是以觀察電壓位準變化來判斷位置變化,然而所有電壓位準的變化,事實上都是依賴電流傳輸來達成的。感測器電路中,常加入電容來進行濾波及穩壓等工作,穩定電壓位準,但亦會影響電流工作時間,使電壓位準需要較長的變化時間,產生延遲的現象。

4. 經由感測器所穫得之電子訊號,需傳輸至控制器方可使用;然而在控制電路板上,會具有電容及電感元件,影響電子訊號進入控制器的時間。

5. 位置訊號進入控制器後,可能還需要經過運算或是處理,或是要等其它程序先跑完等因素,導致無法立即性對位置訊號做出反應。

以上僅列出幾項較常見之發生原因作為參考。 

    獲得正確的位置資訊後,則要送入”電流”進入馬達。需注意”對的時間”是指電流進入馬達運作的時間;由於馬達可視為電感性元件,會導致電流進入馬達的時間大幅延後。事實上,馬達內的電感值,會受到流入電流大小及電源切換頻率(轉速)而改變,因此在不同的轉速下,電流延遲時間亦會產生變化。 

    另外也要注意到,從控制器接收位置訊號,到處理完成輸出控制命令的所需時間。還有開關元件的響應時間及頻寬問題,都有可能導致送入電流的時間受到影響。

 

如何做到好的驅動? 

1. 確保訊號的傳遞速率。

    雖然經由以上的介紹,訊號的延遲已為必然的結果,但若延遲的速率為固定且已知,則可由硬體或是軟體方式去補償;另一方面由於方程式中的計算函數為圖1,故若差異角度不大,則其計算值仍非常接近1,影響並不大。

    要能有效的確保訊號傳遞,則需倚靠電路設計之能力,包括各項電子元件的選配、電源能量配置及電路佈線規劃等等。 

2. 軟體編程能力。

    馬達驅動程式其實對於控制器的負擔並不大,但控制器同時還要需處理許多工作,因此權重、順序及運算時間的掌握需注意。若是選擇高階的控制器,則其運算反應速度快,較不需要擔心彼此拖累時間的問題。低階的控制器,則連程式編譯都需注意,可能需要直接使用組合語言撰寫程式碼,以達到最短的程式執行時間。 

3. 馬達系統整體理解性。

    做馬達驅動仍需對馬達要有深刻性的理解。目前電子電路系統大多是針對電壓訊號作控制及處理,一來電流值並不大,二來僅考慮電流產生的損失及電磁波影響;但馬達系統中,電流才是轉矩力量的直接來源,觀察電流的變化重要性遠遠超過電壓。馬達內的電感及產生的電磁波都遠大於電子電路系統,若考慮不適當,很有可能反灌至驅動電路中直接造成不良影響。再者,馬達所處的使用環境亦較為嚴苛,若要將電路直接置於馬達內部時,需特別注意。

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