前言

處於大家都響應節能的社會中，我們努力的參與創造綠色能源。但我們的能力是開源有限，而節流是無止境的硬仗。能源約有40%是被拿來作為動力使用的。有動力心臟之稱的馬達就必須背上節能的重任。直流無刷馬達(BLDC)是一個高效能的馬達，也是今後馬達動力節能的要角之一。因為它的效能比傳統的馬達效能高很多。市面上的直流馬達大多使用機械式整流子和電刷，來控制馬達相位轉換的動作，而直流無刷馬達是使用電子式換相機構，減少磨損也降低了效能損失。當然也不像有刷馬達需要更換碳刷與碳刷磨擦所產生金屬屑與火花的問題。

直流無刷馬達一般的驅動方式是採用Hall Sensor 來偵測轉子的位置並且提供相位轉換資訊。但在某些場合上，例如在高溫、高濕的惡劣環境，或轉速要求極高的環境下，就不適用。應付這些場合的對策就是改用Sensorless的控制策略。Sensorless的控制技術，目前是採取直流無刷馬達的反電動勢來分析轉子的相對位置。反電動勢偵測又分了二種，一種是與中性點比較所得到的過零點，另一種是相對於相電壓做比較所得到的換相點，前者的做法是直流無刷馬達三相中的任意一相與中性點做比較所得到的過零點，對直流無刷馬達而且，是不會把馬達中性點拉出的。所以我們必須透過硬體電路製造一個假設中性點。這種做法所可能會造成過零點漂移，會造成誤判斷導致換相點不正確。再者，經由反電動勢測到的過零點必須再Delay30度電氣角才可以換相；後者則是直流無刷馬達三相中的相鄰二相電壓做比較，沒有前者過零點漂移的問題，也不需要Delay30度，在程式或在硬體方面也較簡單，也由於不用Delay30度，所以直接反電動勢取得之換相狀態可以供給直流無刷馬達在安裝Hall時，作為Hall之位置校正。由於無刷馬達在安裝Hall Sensor時角度不好拿捏。本設計可以用來幫助Hall Sensor的安裝與取代在較差的環境中使用。

Sensorless與Hall Sensor的馬達比起來，Sensorless體積較小，節省了安置Hall Sensor的空間，又可以剋服一些高雜訊的環境，因為這些種種因素使得精密儀器也有越來越多是採用此控制原理。本設計從商場需求之角度為本，並以產品功能優化為用，以設計性價比高之產品為最終目標。緣此，本作品利用HOLTEK所生產的直流馬達控制IC-HT45RM03作為系統控制核心，再搭配HT45B0C 這顆專門驅動MOSFET gate driver的專用IC以大幅的降低所需求的硬體電路。在顯示部份我們採用了最有價格優勢的MCU HT48R10A作整個系統的資訊顯示，以達成了低價格高功能的產品。實驗證明本設計是符合產業界期望的高功能、低成本、高穩定度的節能產品。

工作原理

本系統的硬體架構由電源電路、MCU控制電路、馬達驅動電路、反電動勢偵測電路、顯示電路及過電流、低電壓保護電路等六大電路區塊合成，如圖一所示。

電源電路主要是將DC24V電源經由降壓與穩壓電路後分配各IC所須的+5V、+15V至各IC，使得IC均可正常工作。MCU控制電路由HT45RM03作為整各系統的核心控制，利用A/D轉換器來判讀現在電壓及電流、利用A/D讀取調速Sensor，供使用者任意的調整轉速快、慢，由A/D所讀到的值再經由PWM和HOLTEK的高壓MOSFET Gate Driver - HT45B0C來驅動無刷馬達到所設定的運轉狀態。

整個電路包含了Sensorless與Hall Sensor電路，以方便我們產生換相所對應的邏輯來驅動馬達運轉。以前的反電動勢電路是採用電容與電阻的組合電路來完成與馬達中性點的過零點比較後再由軟體Delay30度後才決定驅動電路開通。我們的做法是採用相鄰兩相的相電壓依序經比較電路取得換向信號。我們經由馬達的反電動勢再由相電壓對相電壓相減就可以清楚得知道目前馬達轉子的位置在哪裡，這個就是我們做Sensorless控制器的方法。

整體運轉的訊息，例如轉速、正∕反轉、過電壓、低電壓與過電流等等，均透過顯示裝置來顯示。但因HT45RM03的接腳數目不夠，所以必須將所有的訊息由HT45RM03傳送至HT48R10A，再經由HT48R10A來控制整個顯示裝置以顯示各種資訊。

《圖一　系統方塊圖》

作品功能

本作品具有下列八項功能：

（1）Sensor與Sensorless之控制選擇：依據使用者設定來決定MCU是使用Sensor或是Sensorless的驅動控制方式。

（2）過電流保護：利用馬達的回授電流經由OP放大器來檢測回授電流大小，再經由比較器來判定是否過電流，以避免MOSFET過度負荷而損毀驅動電路。

（3）低電壓保護：由Power端量測，如果電壓過低會自動關閉整個系統。

（4）電流檢測：將馬達的回授電流經由OP放大後檢測目前電流的大小。

（5）電壓檢測：由Power端使用分壓得知我們將要量測的端點電壓，再經由A/D讀取，以便我們得知目前電壓。

（6）幫助檢查Hall Sensor的安裝是否妥當。

（7）適當時機可以做 Hall Sensor的疲勞或老化的體檢，增加系統的安全性與可靠度。

（8）資訊顯示：由顯示裝置來顯示，電壓、電流、轉速、正/反轉。

控制晶片使用功能

我們使用了HT45RM03的外部中斷(/INT0、 /INT1、/INT2)用來讀取換相訊號、3通道的PWM與3邏輯I/O作為MOSFET gate driver-HT45B0C開通Power MOSFET的訊號、由於HT45RM03的晶片提供了比較器與OP放大器，所以我們使用了HT45RM03內部的比較器做過電流比較以保護整體電路、使用HT45RM03內部的OPA做電流放大後由A/D讀取。由A/D讀取系統電壓，以作為低電壓保護及通知、由A/D讀取VR作為馬達調速依據、使用了HT45RM03的TIMER中斷來做固定時間電流讀取、轉速讀取、緩啟動等等的時間依據。綜合而言，我們在HT45RM03內部使用了：

另外，在HT48R10A我們使用了外部中斷，來接收HT45RM03傳過來的數據、並使用TIMER作為掃瞄七段顯示的控制，我們藉由按鈕可以切換顯示電流、電壓和RPM，以得到整個系統的狀態。

作品結構

硬體部份

由圖二的電源電路可以看到我們是由24V經過C1穩壓提供馬達運轉及內部電源使用，所以電源一路直接供給馬達轉動，另一路則經降壓、穩壓，得到15V、5V。15V作為HT45B0C的VM電壓，而5V供給MCU ( HT45RM03、HT48R10A )、MOSFET Gate Driver(HT45B0C)和內部訊號之電源，D1為系統電源燈。

《圖二　電源電路(POWER)》 - BigPic:781x161

在圖三的MCU電路圖中D1為RUN/STOP的指示燈，D2為正/反轉指示燈、D3為Sensor與Sensorless狀態指示燈、D4為過電流指示燈、而D5為低電壓指示燈。使用了HT45RM03內部的比較器和放大器做了保護電路和偵測電路，當馬達負載過大或環境因素造成電流過大時會由過電流保護保護住，避免燒毀整個系統。如電池或電壓源供電過低，由A/D偵測到電壓過低時會自動提醒或更低時會由系統切斷整體電路，避免造成誤動作並保護電池避免過度放電而毀損電池。偵測由馬達回朔的電流經採樣電阻後取得相對的電壓，並經由HT45RM03內部OP放大器做放大後輸出至A/D讀取。我們採用可變電阻VR以作為無刷馬達速度調適。PD0是與HT48R10A溝通的I/O，會傳送序列訊號至HT48R10A，作為整個系統的顯示資訊。

《圖三　MCU-HT45RM03電路圖》 - BigPic:768x500

我們在HT48R10A做了整個系統資訊顯示，由圖四可以看到HT45RM03傳來的資訊經由HT48R10A的外部中斷(PC2)接收序列訊號，得到整個系統資訊儲存後，可藉由按鈕選擇切換電壓、電流或RPM資訊，然後經由七段顯示器來顯示所選擇的資訊。

《圖四　MCU-HT48R10A電路圖》 - BigPic:575x530

驅動電路是由HT45RM03接收反電動勢或Hall sensor 訊號以得到MOSFET開通訊號，再把這6個開通訊號傳送至MOSFET Gate Driver IC (HT45B0C)來驅動MOSFET的開關以達成直流無刷馬達的換相。圖五為HT45B0C的電路圖。

《圖五　HT45B0C MOSFET Gate Driver 驅動電路》 - BigPic:664x454

圖六是由六個MOSFET所組成，用來開通無刷馬達換相的逆變電路，圖中R17為電流採樣電阻。

《圖六　逆變電路(INVERTER)》 - BigPic:761x296

圖七反電動勢偵測電路是由馬達三相之相電壓與相電壓經由比較器做比較後得到三個訊號EA、EB和EC，這三個訊號就是用來取代Hall sensor的換相訊號。

《圖七　反電動勢相與相相減電路》 - BigPic:624x450

軟體部份

HT48R10A這顆MCU主要是用來顯示資訊，圖八是HT48R10A的主程式流程，是在計算RPM、電壓和電流值並做顯示。圖九中的TIMER中斷是用來做掃瞄七段顯示用的。由HT45RM03所傳來的訊號，是進入圖十的外部中斷處理。

《圖十　HT48R10A的外部中斷處理流程》