永磁無刷馬達控制

一、永磁無刷馬達:

無刷馬達在硬體架構可分為三部份，轉子、定子及外殼，轉子部份是迴轉軸固定永久磁鐵的傳動磁場所構成的。定子是由矽綱片與線圈所構成，其中矽鋼片是積疊而成的，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【1】。

二、以下為無刷馬達的主要特徵：

1. 無機械式的電刷及整流子

2. 夀命長

3. 不產生機械的雜音（除軸承部份）

4. 電刷部份不會產生碳粉、油霧等污垢

5. 不會產生電氣雜訊，不會有電波干擾

6. 不產生火花

7. 可以用於高速旋轉馬達

8. 容易製造多極型馬達

9. 正反轉扭力大

10.馬達特性與一般DC馬達相同

11.能夠製造扭力穩定、轉速穩定的馬達

12.需要驅動電路

13.可由控制器改善馬達特性

三、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1所示。

圖1 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，如圖2所示。

圖2 PWM控制【1】

四、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度，圖3為60度間隔分佈，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：

圖3 Hall sensor位置與轉子位置示意圖【1】

表1  Hall sensor輪出訊號與邏輯碼【1】

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。

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。

五、直流有刷馬達與無刷馬達之差異與比較【2、3】:  

參考文獻:

【1】    永磁無刷馬達控制路昌工業 永磁無刷馬達控制

【2】 林慶曜 直流有刷馬達與無刷馬達之差異與比較 中山工商 2008

【3】 愛德利科技股份有限公司 直流無刷馬達、有刷馬達特點比較表 2008