進階馬達類型

AC感應(ACI)馬達適合多種高效能應用，包括家電用品、幫浦、風扇及壓縮器 (亦即冰箱與HVAC系統)等。ACI馬達的運作為非同步方式，因為馬達的內部定子與轉子受到變化的電流所控制，而以不同的速度轉動，可提供絕佳的速度與轉矩控制，本身相當穩定、高速且符合成本效益。ACI的主要缺點是需要複雜的回授及控制機制，才能在變速及低速下維持效率。

無刷DC(BLDC)馬達的運作為同步方式，以變化的電流控制定子磁通，並且以永磁線圈或電流饋入線圈使轉子磁通保持恆定。同步控制能夠提供高定精度及較佳的電源效率(例如透過磁體的既有磁通，僅需要較少電流即可驅動馬達)。BLDC 馬達可透過一定數量的狀態控制位置(見圖一)，支援的狀態愈多，便能夠愈準確地控制位置，但也意味著需要更複雜的處理。BLDC是成長速度最快的馬達類型之一，能夠在中高轉矩下進行高效率且穩定的運作，達到高功率密度，並且適用於自動化、推進、高精度及家電用品等易燃的應用環境。由於BLDC採用簡易的整流技術，因此系統較不複雜、重量較輕、體積尺寸較小、較符合成本效益，而且能夠在變速及低速下發揮絕佳效能。

BLDC 馬達 (六段式梯形狀態)

控制簡便

整流轉矩漣波

低速適用

有雜訊

分散式繞組不適用

並非有效的低轉矩

成本低

《圖一 無刷DC (BLDC) 馬達透過一定數量的狀態降低控制複雜度。》

永磁同步馬達 (PMSM)採「連續」方式控制 (見圖二)，因此PMSM可達到低雜訊的運作，並產生整流的最低程度轉矩漣波，而且能夠搭配低成本分散式繞組使用。此類馬達支援較高上限的可達速度以及較高的效率與轉矩，相當適合需要精確定位控制、極高速及/或推進、高精度自動化 (機器人) 與混合動力車等高轉矩的各項應用。

PMSM 馬達

控制較複雜 (連續 3Ph 正弦波)

無整流轉矩漣波

可達速限較高

低雜訊

低成本分散式繞組適用

高效率、高轉矩

成本高

《圖二 永磁同步馬達採「連續」方式控制，適合需要精確定位控制、極高速及/或高轉矩的各項應用。》

智慧型控制機制

對於如何控制各種類型的馬達，開發人員有許多選項，端視馬達需要發揮效率(亦即低/高速、高轉矩)的運作範圍及所需的精度 (亦即位置、速度、轉矩) 而定。各個控制機制能夠達到成本、電源效率、精準度及效能四者均衡的效用。

簡單純量控制 (Simple scalar control，亦稱為V/f或每赫茲伏特) 是常用於驅動ACI馬達的方法，實作簡易，而且處理需求也低。經由改變驅動馬達所用的正弦波頻率，即可控制速度，並完全不會影響控制電流或轉矩的最佳化。然而，簡單純量控制在低速或高速時的轉矩不佳，動態效能不盡理想，對於變化的反應則顯得遲緩，而且由於過衝而超出設定點，低速運作時，內部功率的損耗相當高。

定向控制 (Field-Oriented Control，FOC) 也稱為向量控制，是比簡單純量控制更加智慧的控制機制，雖然複雜度較高，不過能夠達到更實質的成本效益、電源效率及更高的精度與效能。FOC能夠有效地控制ACI及 PMSM 馬達所有的轉矩與速度 (見圖三)。不僅能夠在大幅減少轉矩漣波時增加起始轉矩，且也能在所有速度下支援最大轉矩。由於面對變化的反應相當快，而且能夠在滿載時維持零速，因此在馬達的各種速度下均維持穩定效能。由於FOC 是以電流控制，開發人員得以針對特定應用使電源轉換器電路及馬達尺寸達到最佳化。

《圖三 定向控制 (FOC) 能夠完全控制各種轉矩及速度，同時能夠迅速反應設定點或負載中出現的變化。》

梯形及正弦曲線控制是BLDC馬達控制的兩種主要選擇。梯形控制本身相當簡易且符合成本效益，因此長久以來一直受到採用。不過，為了達到更平順的運作、更良好的轉矩回應，以及更低的電氣雜訊，許多開發人員逐漸改採正弦曲線控制，其可達到效能及效率的絕佳表現，而且能夠搭配分散式繞組使用，同時在高速下發揮更佳的控制效果，如此讓 OEM廠商能夠設計出與眾不同的系統。例如，梯形控制的高 EMI 會使得馬達系統不穩定，而導致效能大幅降低，並發出可聽見的噪音。

回授

使用回授迴路來調節速度、位置/角度、電流、磁通及轉矩，能夠使進階控制機制提升部份效能，不過複雜度也隨之增加。FOC 需要測量轉子與定子之間的速度及角度。梯形及正弦曲線控制則需要測量速度、位置及電流。

開發人員能夠使用感測器或運用無感測器的方法實作回授。對於採用 ACI 馬達的應用，可使用測速器直接測量速度。PMSM 型設計可使用編碼器或解析計追蹤位置，同時測量一段時間的位置變化以計算速度。高精度系統通常需要感測器，即便確實會增加系統成本及元件。

另外，無感測器方法根據滑動模式及模型參考適應性系統 (MRAS) 之類的「狀態觀測器」進行的即時電流及電壓測量，來模擬 (亦即估計) 馬達的速度及角度，雖然電流及電壓感測器的成本低於位置感測器 (使用單一DC分流便能以低成本且穩定的方式測量電流)，不過系統微控制器需要一些MIPS才能實作數學馬達模型。

整合式馬達控制

系統單晶片整合的電流趨勢會改變開發人員運用馬達控制的方式。價格不到2美元卻能夠實作智慧型控制機制的MCU，對於許多低成本的應用而言，確實能夠達到絕佳的效能、效率及精度。

加速開發

若要將開發時間縮至最短，需要能夠加速設計及除錯的硬體及軟體。例如，通用硬體平台能夠使開發人員調整設計，重複使用從簡單馬達應用到高階高精度應用的軟體。具有廣泛馬達控制程式庫的視覺化開發工具也更加提升平台的價值，因此開發人員能夠針對特定應用迅速調整既有架構，以發揮更高的效用 (見圖四)。

《圖四 視覺化開發工具能夠讓開發人員針對特定應用，迅速地調整既有架構，以發揮更高的效用。此處顯示雙重無感測器FOC型PMSM系統的增量式建置。開發人員此時可驗證與目標裝置無關的模組、負載週期及PWM更新。模擬馬達運作的能力也讓開發人員能夠在未連接馬達時驗證PWM運作，以避免運作意外中止。》

開發人員通常可使用定點MCU，但僅需手動處理數學精度及解析度的程序，降低系統成本。使用TI的IQMath等程式庫將演算法抽離，演算法程式碼便可用於各種 MCU以及各種應用程式、控制機制與馬達類型。抽離也可簡化與協力廠商馬達控制軟體及開發平台(亦即Mathworks的Embedded Target及Visual Solutions的VisSim)的整合、促進程式碼的重複使用，並且使得程式碼能夠來回使用於浮點及定點MCU。

針對馬達控制應用特別設計的高度整合式MCU，不僅能夠使開發人員降低既有系統的成本，亦能運用更加智慧的控制機制提升系統效能、精度及效率。瞭解不同的馬達類型以及可用的控制方法，開發人員即可選擇適當的方法和控制智慧層級來建立穩定的系統，達到可任意調整、支援眾多加值功能以及運用程式碼，以達到長期投資的效益。