BLDC直流無刷馬達的控制

瞭解高效率馬達的原理及應用:2/3

直流無刷馬達(BLDC motors)因其能以精巧的體積提供高效率、使用壽命長及優異的可控制性而備受矚目。本節將說明如何控制這些馬達以有效發揮其潛力。

連接更為複雜

圖1所示為一種典型的直流無刷馬達──內轉子型的外觀及內部結構。應注意的是此馬達的永久磁鐵安裝在轉子上,而線圈位於外側。這與線圈在轉子上而永久磁鐵在外側的典型有刷直流馬達完全不同。由於直流無刷馬達的轉子不使用線圈,故不需為其提供電流,這也是沒有碳刷的原因。

直流無刷馬達比有刷馬達更難驅動。若為有刷馬達,只需將電源連接至馬達的正負極導線即可。但直流無刷馬達的導線數量與有刷馬達不同,連接較為複雜。

圖一:直流無刷馬達的內部及外側

圖一:直流無刷馬達的內部及外側

轉子為永久磁鐵,不會有電流通過。不需要碳刷及整流子,因此使用壽命更長。

控制磁場

欲使直流無刷馬達旋轉,需要知道電流進入線圈的方向及時機。圖2(a) 說明直流無刷馬達的定子(線圈)及轉子(永久磁鐵)。我們將利用此圖說明如何使轉子旋轉。在此例中將使用三個線圈,但實務上較普遍的做法為使用六個或更多線圈。但在此僅使用三個間隔120º的線圈。如上一節所述,馬達負責將電能轉換為機械能。那麼圖示中的馬達是怎麼做到的?我們來看看內部的情況。

圖2-A:直流無刷馬達旋轉原理

圖2-A:直流無刷馬達旋轉原理

典型配置:三個間隔120º的線圈。藉由控制相位及線圈電流驅動。

在我們的範例中展示一個三線圈繞阻的三相馬達。分別將線圈標示為U、V及W。記住,電流通過線圈會產生磁場。由於有三個線圈,故有三條可通過電流的路徑,分別稱為U相(電流進入U線圈)、V相(進入V線圈)及W相。先來看U相。若電流只通過U相,則產生的磁通量如圖2(b)箭頭所示。實際上,所有三個線圈是透過來自各線圈的一條導線相連,並且不可能單獨產生U相。圖2(c)顯示電流通過U及W線圈(相位「UW」)時的情況,同樣以箭頭表示各線圈產生的磁通量。圖2(d)中的寬箭頭為合成通量,即結合U與W磁場合成後的結果。此大的磁通量將導致內部轉子旋轉,直到轉子永久磁鐵的S和N極與此箭頭對齊(N極最接近箭頭尖端)。

图2-B:BLDC电机的转动原理

圖2-B:直流無刷馬達旋轉原理

電流先通過U再通過W。箭頭顯示線圈U產生的磁通量。

图2-C:BLDC电机的转动原理

圖2-C:直流無刷馬達旋轉原理

電流通過U及W。兩個箭頭分別表示線圈U及W產生的磁通量。

图2-D:BLDC电机的转动原理

圖2-D:直流無刷馬達旋轉原理

寬箭頭表示合成磁通量──U及W產生的磁通量之和。

藉由持續切換磁通量使永久磁鐵不斷追逐線圈產生的旋轉磁場,維持旋轉。換句話說,必須連續切換使U、V及W通電,保持合成磁通量移動,才能產生能持續拉動轉子磁鐵的旋轉磁場。

圖3顯示通電相位與磁通量之間的關係。如圖所示,依序從模式1切換至模式6將使轉子以順時針旋轉一圈。可藉由控制相位變化的速度控制轉速。我們將此處所述之6種模式控制法稱為「120度方波控制」。

圖3:不斷變化的合成磁通量持續拉動轉子磁鐵,使轉子以同樣的速度旋轉。

圖3:不斷變化的合成磁通量持續拉動轉子磁鐵,使轉子以同樣的速度旋轉。

正弦控制提供平順的旋轉

利用120度方波控制,只有六個合成磁通量方向用以驅動馬達。舉例來說,從模式1切換至模式2(參見圖3)使合成磁通量方向移動60º,進而拉動轉子。從模式2切換至模式3使磁通量方向再移動60º,並再次拉動轉子。重複此過程以驅動直流無刷馬達,但這樣的驅動方式則會產生對應的轉矩漣波。在部分情況下,此漣波會造成不必要的振動與機械噪音。

替代120度方波控制的方法,是利用正弦控制實現更平順且更安靜的操作。若是120度方波控制,連續循環通過六個固定的合成通量(如圖2(c)所示)會產生同樣大小的磁通量。但藉由更謹慎的控制進入U、V及W的電流,可在各線圈產生不同的磁通量大小,能更準確的改變合成磁通量。(參見圖4。)
藉由精確調整進入三相中各相的電流,即能達到更連續的合成磁通量變化,進而使馬達旋轉更平順。

图4:正弦波控制

圖4:正弦控制

藉由控制進入所有三相的電流,即能比120度方波控制達到更精準控制合成磁通量的大小及方向,以實現更平順的旋轉磁場。合成磁通量不再限於六個不連續的方向。

以變頻器控制

讓我們再次檢視進入U、V及W之電流的性質。為求簡單,僅以120度方波控制說明運作原理。回到圖3,可看到在模式1中電流從U進入W,在模式2中從U進入V。如圖中箭頭所示,每次通電線圈組合的變化都會導致磁通量方向相應改變。

現在來看模式4。此時電流從W進入V,剛好與模式1相反。若為有刷直流馬達,則可藉由碳刷與整流子達到此等電流反轉。按照定義,直流無刷馬達無法使用碳刷或其他機械接觸實現此等反轉。相反的,一般是使用變頻器電路進行此控制。

而且使用變頻器電路亦可調整進入各線圈的電壓,因此還能控制電流的大小。調整電壓的典型方式為透過脈衝寬度調變(PWM)。在此方式中,藉由延長或縮短脈衝導通(ON)時間(亦稱為「責任週期」:導通時間以導通(ON)+斷開(OFF)切換間隔比率表示)改變電壓。增加責任週期具有與提高電壓相同的效果,減少責任週期則具有與降低電流相同的效果。(參見圖5。)

可使用配有備專門硬體的MPU實現PWM輸出。120度方波控制僅需要控制兩相電壓,在軟體中即可相對容易的實現;但正弦控制是使用三相電壓控制,控制上較為複雜。因此,需要適當的變頻器電路以驅動直流無刷馬達。應注意,變頻器亦可與交流馬達搭配使用。但在消費性電子產品中使用的「變頻器類型」一詞,通常是指直流無刷馬達。

PWM輸出vs.輸出電壓

圖5:PWM輸出vs.輸出電壓

改變責任週期(各切換週期內的接通時間)會改變有效電壓。

直流無刷馬達及位置感測器

如前所述,藉由持續改線圈產生之磁通量的方向性,驅動直流無刷馬達。轉子上的永久磁鐵以相同的速度不斷追逐移動的旋轉磁場,造成轉子旋轉。

但到目前為止都還沒提到控制這些馬達另一個重要因子:位置。由於直流無刷馬達控制必須與轉子(磁鐵)位置協調,因此這些馬達一般都會帶有包含偵測位置的位置感測器。在不知道轉子位置的情況下施加電流,可能會導致轉子旋轉方向錯誤。使用位置感測器即可防止此等問題。

表1顯示這些馬達中常用的位置感測器類型。不同的控制方法使用不同的感測器類型。訊號輸入間隔60º的霍爾元件(Hall elements)最適合採用120度方波控制的馬達,在此情況下唯一要做的就是決定通電的相位。更精準的感測器,例如解角器(resolvers)及光學編碼器,更適合採用向量控制(說明如下)、更精細的控制馬達內的磁通量。

雖然感測器具有明顯優勢,但亦有其缺點。有些感測器對灰塵的耐受性非常低,而且需要定期維護。有些只能在有限的溫度範圍內正常運作。使用感測器及建置所有伴隨電路會增加製造成本,而高精度感測器當然也最昂貴。目前市面上的「無感測器直流無刷馬達」完全不需使用感測器,是降低零件及維護成本的一種方式。但本節旨在說明操作原理,故假設使用感測器以追蹤轉子位置。

感測器類型 典型應用 特性
霍爾元件 120度方波控制 每60度取得一次訊號。相對便宜。耐熱性不佳。
光學編碼器

正弦波控制、向量控制

兩類:增量型(偵測距離與原點的位移)及絕對型(偵測當前位置)。高解析度。灰塵耐受性不佳。
解角器 正弦波控制、向量控制 高解析度。堅固。可用於嚴苛的環境。

表1:位置感測器類型及特性

向量控制維持高效率

如前所述,正弦控制利用三相電流平順的控制磁通量,以實現平順的旋轉。而120度方波控制在任一時間點僅使三相(U、V及W)中的兩相通電,正弦控制明顯更為複雜,因其必須準確提供不同的電流量至全部三個相位。

降低此複雜性的一個方法是向量控制,利用計算轉換座標空間,將三相交流值視為兩相直流值處理。但此方法僅適用於能提供高解析度位置資訊之情況,以供計算使用。取得此資訊的一個方法是使用高精度感測器(光學編碼器、解角器等)。另一種「無感測器」法是依據進入各相之電流的大小預測位置。不論何種方式,轉換座標空間可直接控制與扭力有關的電流以實現高效率操作,幾乎不會浪費電流。

實現向量控制需要密集的數學運算,包括快速求解轉換座標轉算所需要的三角函數能力。用以控制這些馬達的MCU通常包含FPU(浮點運算單元),必須要能提供強大與即時的運算能力。

下一節將使用瑞薩的「馬達RSSK」開發套件(套件實際名稱:「用於RX23T之24V馬達控制評估系統」)控制馬達。

了解高效馬達基礎與應用

  1. 何謂BLDC直流無刷馬達
  2. BLDC直流無刷馬達的控制
  3. 瑞薩BLDC直流無刷馬達解決方案