MCU数位控制IC技术日趋成熟 - 全文

　　变频马达主要依靠半导体元件组成的电子电路来驱动马达运转，其中MCU数位控制技术的好坏关系着马达效率是否理想;而在MCU控制技术日趋成熟，加上FOC演算法助力之下，变频马达效率将逐步跃进。

　　马达是家电产品中，不可或缺的动力元件，马达的使用量，也是生活舒适程度的指标之一。家电产品中，常见的马达基本上有三种：交流感应马达（AC Induction Motor， ACIM）、直流有刷马达（Brushed DC Motor）、直流无刷马达（BLDC/PMSM）（亦称变频马达）。事实上，马达的分类方式可从以下几点区分。

　　电源

　　从电源的使用上来看，可简易分成交流马达与直流马达两大类。

　　控制方式

　　从马达控制上来看，可以简易分成同步控制与非同步控制（感应控制）两大类。BLDC/PMSM马达采用同步控制方式，系利用定子上的电流控制来同步控制马达转子的旋转。ACIM马达采用的是感应控制方式，系利用定子的电流环的控制，感应带动转子，转子磁场环与定子磁场环因而存在速度差。

　　定子绕线组数

　　最常见的有三相马达与单相马达，其中三相绕组还有分成Y结线与星型结线两种。

　　电刷

　　从电刷有无来看，可以简易分成有刷马达与无刷马达两大类。有刷马达将直流电供给绕组的机构为电刷与整流子（固定在定子上的就是电刷，固定在转子上的就是整流子），无刷马达则是采用电子电路来取代电刷与整流子。

　　家电产品加速导入高效率节能马达商机起飞

　　驱动直流马达在家电产品的使用风潮的主因有以下几点。

　　能源危机

　　根据国际能源总署（IEA）资料显示，马达是耗电量最大的应用，约占全球电力消耗46%以上，因而也成为业界落实节能减碳的首要改善重点，其中直流马达在高效率节能上的表现，优于传统的ACIM。直流马达的使用，已渐成家电产品动力元件的趋势。

　　据估计，从IE1升级到IE3，省电效率可提升8%。马达最低能效标准（MEPS）政策实施，目前是在宣导期，未来一旦进入强制期，将掀起一波马达汰旧换新风潮，并刺激马达制造商与半导体厂，加速推出更高效率的新方案。

　　电源技术进步

　　三个关键的电源技术锂电池元件、开关电源供应（Switching Power Supply）技术以及太阳能板电源技术的采用，让家电产品产品与行动电源结合成为新的安全家居与休闲概念产品。例如近年来在日本大为流行的充电式风扇，标榜为安全家电，其停电可使用电池，有电时使用转接头（Adaptor）透过市电供电。另外欧洲人喜欢旅游，充电式风扇可随身携带，露营时没有市电插，也可以有电风扇吹。充电式风扇除了可结合太阳能板充电，也可以利用汽车DC12伏特（V）充电，使用相当方便。

　　数位控制IC技术成熟

　　如今微控制器（MCU）价格大幅下降，以迎合家电产品设计加量不加价的设计需求。此外，数位脉宽调变（PWM）控制技术成熟，可用同一颗IC做到方波或弦波控制，让马达制造商与半导体业者在厂物料控管上更为方便。

　　DC马达元件优势

　　在同样功率下，DC马达功率转换效率比传统的ACIM还要好。此外，家电产品因应成本降低，常须使用塑胶材料，而塑胶材料非常怕过热，例如养生的果菜汁机、食品搅拌机等。DC马达相较AC马达不易发烫，因而更具优势。

　　另一方面，在同样功率下，DC马达扭力也较ACIM强。近年来家电机构设计强调美观，有小型化设计趋势，因此DC马达较ACIM更合适用于体积小但要求大扭力的家电马达产品，例如电动起子、饮水机用水泵、医疗用气泵等。

　　家电新趋势

　　居家生活品质的提高已成为全球趋势，DC马达的静音诉求与无级调速功能大量运用在新家电产品功能设计上，例如DC落地扇、吊扇、空调产品等。

　　驱动高效率BLDC　MCU关键设计有门道

　　BLDC马达控制主要是采用同步控制方式，更准确地说，BLDC是一种双回授控制方式。由MCU控制定子电流方向，主导转子下一步的位置，转子位置回授，转子位置回授分成有感测器（Hall或是Encoder）与无感测器（Sensorless）两种方法，另外，电流回授主要目的在于过电流保护用。整个BLDC方案系统方块图如图1;从图中，可以简易看出决定马达产品效率的关键元件。

图1　BLDC系统配置方块图

　　Power电路

　　主要分成市电应用与DC电源应用两种，主要设计考量为功率转换效率。

　　MOS元件

　　主要为Rds规格，考量重点在于金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）发热损耗。

　　Gate Driver驱动电路

　　主要有两种三级管电路与闸极驱动器（Gate Driver） IC;考量重点在于Gate Driver Rising/Falling Timing所造成的开关元件损耗。

　　MCU

　　依据产品方案需求，可选择以方波或是弦波控制，搭配马达回授控制感测器方案与无感测器方案，可以分成四种方案：方波Hall方案、方波Sensorless方案、弦波Hall方案与弦波Sensorless方案。

　　马达材料

　　主要考量铜损、铁损等马达材料特性所造成的功率损耗。

　　MCU马达控制内部设计主要分成五大部分（图2），以下列点说明。

图2　PWM Edge-aligned Mode与Center-aligned Mode电路

　　PWM调制电路

　　主要有Edge-aligned Mode与Center-aligned Mode两种模式。

　　马达定子电流控制电路

　　搭配Hall Sensor Decoder与Mask电路配置决定方波控制与弦波控制方式。

　　马达驱动电路控制

　　主要设定MOS死区时间（Dead-time）、外部Gate Driver电路驱动极性、防呆电路等控制方式。

　　马达转子侦测电路

　　利用专属的Timer观测转子位置变化，侦测转子转速与堵转与否。

　　马达保护电路

　　主要有马达驱动过电流保护电路与马达堵转保护电路两种模式。

　　此外，马达控制方式基本上采用的是控制系统常用的PID控制方法（图3），以速度环PID控制为例，其运作步骤如下。

图3　马达PID控制要素

　　1.从人机介面取得控速命令，例如VR=0.5V代表机械转速500rpm

　　2.决定马达定子电流控制方式，例如以方波控制或者是弦波控制。

　　3.采用Hall或者是Sensorless方式监控马达转子位置并监控转子转速。

　　4.MCU计算马达是否到达转速要求，利用PWM机制做转速调整。

　　要特别注意的是，高效率马达控制很重视换相点与定子电流的换相位置，依据马达特性不同转速，对换相点的补偿可能会有所不同，须要依产品需求来做换相点控制的补偿与调整，因此可以轻易地从马达的DC Bus电流平稳度，看出马达控制是否牢靠。

　　FOC演算法助力　PMSM控制效率升级

　　针对PMSM（反电动势是弦波），高效节能马达控制方式采用磁场定向控制（Field Oriented Control， FOC）方式控制，搭配这种弦波电流方式控制，可以达到最高效率，主要应用于空调类压缩机与大功率马达应用，例如跑步机、电动摩托车等。

　　FOC方案系统架构图如图4，A线的右边可以说是用定子的角度来看系统变化，而A线的左边就是以转子的角度来看系统变化。

图4　FOC演算架构图

　　FOC是用向量来代替定子电流做控制，一般又称为向量控制（Vector Control），其运算原理主要是将马达的三相电流的三维座标轴，转换成二维座标轴（d和q座标轴）上。

　　FOC系采用数学方法来实现三相马达的力矩和励磁的解耦控制，因此定子电流可以被看成励磁电流Id（产生励磁）或交轴电流Iq（控制电磁力矩，类似于DC马达的电枢电流）

　　FOC演算法优点在于可在最佳的扭力之下工作，当负载变化时，速度回应快速而精确，让马达的暂态效率得到优化，且在动态反应中，能够达到非常精准的可变速度之控制。

　　FOC方案设计亦可分成有FOC-Hall与FOC-Sensorless两种方式（图5）。

图5　FOC-Hall与FOC-Sensor-less电路架构图

　　FOC Hall

　　利用Hall讯号做转子位置侦测，可精准侦测马达转子位置

　　FOC Sensorless

　　透过两路类比数位转换器（ADC）侦测电流，经过MCU转换计算取得马达转子位置。

　　要特别注意的是，要做到精准的Ia/Ib电流检测，除ADC转换速度的规格，通常须要求到1Mbit/s的采样速率之外，包含印刷电路板（PCB）设计与外部滤波电路的搭配，再加上MCU演算法的熟悉，环环相扣，都是相当重要的。