永磁無刷馬達控制 

 

 永磁無刷馬達(BLDC)硬體架構可分為三部份,轉子、定子及外殼,圖1為示意圖,圖2為永磁無刷馬達實體圖;轉子部份是迴轉軸固定永久磁鐵的傳動磁場所構成的。定子是由電樞鐵心與電樞線圈所構成,其中電樞鐵心是由矽鋼片積疊而成的,而電樞位於定子上,因此可以不需要電刷傳導電流。外殼不只是可以固定定子,也可當作軛鐵而變成磁路的一部份。無刷馬達依電子繞線分類,可分為兩相、三相及五相等無刷馬達。其中三相是較為常見,其結構和同步馬達類似。因此其驅動電路一般均使用PWM控制,再配合霍爾元件(Hall_sensor),可得圓滑且穩定之轉矩,可用於高速及高精度控制之情況。 

以下為無刷馬達的主要特徵:

  1. 1. 無機械式的電刷及整流子
  2. 2. 夀命長
  3. 3. 不產生機械的雜音(除軸承部份)
  4. 4. 電刷部份不會產生碳粉、油霧等污垢
  5. 5. 不會產生電氣雜訊,不會有電波干擾
  6. 6. 不產生火花
  7. 7. 可以用於高速旋轉馬達
  8. 8. 容易製造多極型馬達
  9. 9. 正反轉扭力大
  10. 10.馬達特性與一般DC馬達相同 
  11. 11.能夠製造扭力穩定、轉速穩定的馬達
  12. 12.需要驅動電路
  13. 13.可由控制器改善馬達特性

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圖1直流無刷馬達示意剖面圖

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圖2直流無刷馬達成品圖

 

一、直流無刷馬達的控制架構

       直流無刷馬達其轉子的轉速受到定子旋轉磁場的速度及轉子極數(P)所影響:

  N=120*f/P 

       在轉子極數固定情況下,改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變馬達轉速。其架構類似於同步馬達加上驅動器,控制定子旋轉磁場的頻率並將轉速回授至控制器反覆校正,以期達到接近直流馬達特性,因此直流無刷馬達能夠在額定負載範圍內,當負載發生變化時,仍能控制馬達維持一定的轉速。直流無刷驅動器包括了電源及控制部份,如圖3所示。

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圖3 永磁無刷馬達驅動器架構

 電源部份提供三相電源給馬達使用,其輸入為直流電(DC)或是交流電(AC)都可,但如輸入交流電,則必須經過轉換器(Converter)轉成直流,之後在將直流電壓由換流器(Inverter)轉成三相電壓來驅動馬達。換流器一般由6個功率晶體(Q1~Q6)分為上臂(Q1-Q3-Q5)與下臂(Q2-Q4-Q6)連接馬達做回控制流經馬達線圈的開關。

 控制部則依需求轉換輸入電源的頻率,提供PWM(脈波寬度調變)決定功率晶體開關頻率及換流器換相的時機,而利用內部所裝有能感應磁場的霍爾感應器做為速度的閉迴路控制,同時也做相序控制的依據。

        PWM是指電力開關元件在一秒鐘之間ON/OFF的次數,即相當於三角波的震盪頻率,因此三角波頻率對整個驅動系統的性能有很大的影響。若三角波頻率越高,系統的響應會越好,電流漣波及噪音問題也會隨之改善,但是在切換元件上的功率損失會增大。反之,當切換頻率變小,雖然減少功率的消耗,但也會使系統的響應變差。因此,選擇一個適當的切換頻率必須依照開關元件的速度以及短路防止時間來做調整。

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圖4 PWM控制

二、直流無刷馬達的控制原理

        要使馬達轉動,首先控制部就必須根據Hall_sensor感應到其轉子位置,之後依據定子線圈位置來決定開啟或關閉Inverter中功率機晶體的順序,使電流依序流經馬達線圈產生旋轉磁場,並與轉子的磁石互相作用,開始轉動,當轉子轉到另一角度時,Hall_sensor會感應到另一組訊號,控制部則開起啟下一組功率晶體,如此循環後,馬達就會依同一方向一直轉動,直到控制部關閉全部的功率晶體,則馬達停止,或是控制部反向開啟,則馬達反轉。

一般需安裝三個hall_sensor,彼此在空間上相隔60度或120,圖5為60間隔分佈,圖6為實際hall感測器電路圖,當馬達以順時鐘旋轉時,其Hall_sensor輸出訊號及邏輯碼如下表1:

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圖5 Hall sensor位置與轉子位置示意圖

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圖6 實際Hall感測器電路

表 1  

表1  Hall sensor輪出訊號與邏輯碼

換向時序就取決於Hall_sensor所偵測到的轉子位置訊號,該磁極訊號經過放大及適當的邏輯電路,輸出相對的換相訊號到驅動器,控制功率晶體切換導通。

圖7為驅動示意圖,其中T1、T3、T5一般稱為驅動級之上臂,T2、T4、T6為下臂。各切換元件作動時序與定子旋轉磁場方向可參考下表,依(T1-T4)→(T1-T6)→(T3-T6)→(T3-T2)之順序切換,可獲得順時鐘方向的旋轉磁場,在切換時,上臂可同時做PWM切換,以控制電流。

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圖7 驅動示意圖

表 2  

表2切換元件動作時序與定子旋轉磁場方向

 

 當馬達轉動起來,控制部會再根據驅動器設定的速度及加、減速率所組成的命令(Command)與Hall_sensor信號變化的速度加以比對,再來決定由那組導通,以及導通時間長短,以PWM方式來控制馬達轉速快或慢。

 

三、六步方波控制法

       之前已經介紹過了,無刷馬達的控制主要是透過六組電子開關元件的切換,但如何決定電子開關元件的切換順序則需由無刷直流馬達的反電動勢波形決定。

 

圖8為無刷直流馬達其反電動勢波形,要將電能和磁能的相互作用順利轉成理想的動能來推動機械負載時,便要輸入相對應的理想電流,此為六步方波的控制策略,當反電動勢達正的峰值時,供應正向的電流,當反電動勢達負的峰值時,供應負向的電流,當位於電壓換向的區間時,則不供應電流,此為基本的控制準則。

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圖8反電動勢波形與電流之關係

 

圖9為a相的反電動勢、電流與Hall_sensor訊號之比較,因六步方波控制乃在於反電動勢作用最大值120度的區間內,加入電樞電流。故需要Hall_sensor偵測出轉子磁極或反電動勢(ea、eb、ec)之角位置,並配合適時輸入電流,便能達到最佳控制需求。

      一個完整的馬達週期可劃分成六個區間(Ⅰ~Ⅵ),每一個區間均有唯一的Hall_sensor的訊號編碼,由此可建立對應之關係表單,藉此可明確的判斷出反電動勢切入點及轉子位置關係。

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圖9 A相反電動勢、A相電流與Hall感測器訊號之關係

最後在依據這六個區間,設定攻率晶體的開關切換,來加以驅動馬達。

表3  

表3 Hall sensor在各區間的訊號

 

四、驅動器設計及其相關電路

       一般而言,完整的馬達驅動電路共可分為:

控制器:這部份為控制馬達動作的核心部份,主要是由位置迴路、電流迴路與速度迴路這三部份所構成,而這三大迴路之運算大多是由單晶片處理,又因工作電壓在5V以下,一般稱為弱電系統。

驅動器:此部份是由馬達與功率晶體與一些相關的硬體保護電路所組成,因工作電壓皆在5V以上,所以稱為強電系統。 

 

   馬達驅動電路上面的電子開關元件主要有三種:

BJT(電流控制元件):

    BJT最早是被拿來應用於此的電子元件,但此元件最大的缺點在於極易因溫升的影響而導致元件特性下降,目前已都不採用了。

 

MOSFET(電壓控制元件):

    後期發展出來的MOSFET(增強型)因其特性關係,與現今數位系統相當匹配,而且受溫升影響的程度也不像BJT嚴重,現在設計上大多使用MOSFET。

 

IGBT(電壓控制元件):

    此元件是最新研發出來的電子開關,它同時擁有BJT與MOSFET的優點,可工作於大電流與高速開關切換,但價格偏高。

 

參考資料

DSP Based Brush less Motor Driver for Flux Weakening Control

作者:石富存

 Design and Implementation for FPGA Based BLDCM Driver

作者:王士豪

A Realistic Optimal Controller Design for a Brush less DC Motor

作者:李國斌

 Development and Analysis of a Dual-Winding Permanent magnet Brush less DC Motor Drive

作者:洪士偉

 小型無感測器直流無刷馬達之設計與驅動分析

作者:陳昱年

 

 路昌工業網站:http://lutron-ind.weebly.com/

 

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