無刷直流馬達和整合式馬達驅動器是提高機器人和無人機效率的關鍵

無刷直流 (BLDC) 馬達於 1960 年代開發，已證明比既有之有刷直流 (DC) 馬達更有效率、壽命更長。雖然高功率工業應用轉向採用同步交流馬達，但現在還是有許多其他應用使用無刷直流馬達。

如今，無刷直流馬達已充斥於消費者的日常生活中，用於各種電池供電的工具 (如電鑽、吹葉機)、家電 (洗衣機、印表機)，以及電動自行車和電動車。在工業領域中，無刷直流馬達用於動作控制和物料搬運應用。無刷直流馬達也為無人地面車輛 (UGV)、無人機和類似的無人飛行器 (UAV)、手術機器人、輔助外骨骼提供動力。

有刷直流馬達依靠金屬或碳換向器電刷，將電力傳導至馬達繞組，而無刷直流馬達則為非接觸式。由於無摩擦和磨損，因此達到更高效率，更低的維護需求，以及更長的馬達壽命。亦具有更好的效能：更高的速度、扭矩，以及功率重量比。其精細的控制系統能幾乎瞬間改變速度或扭矩，同時提供精準定位並確保安全。

精細的無刷直流馬達驅動器具備高效能，使得馬達及其控制系統對設計現代機器人和無人機應用的工程師極具吸引力；這些應用需要小型化、高速、精密、安全，以及最少的維護。

無刷直流馬達基礎知識

無刷直流馬達的三個組件看似簡單，其實不然。其固定定子包含二到八組銅線繞組，分佈在一個圓周上，圍繞轉子、被轉子包圍或與轉子平行，此轉子內有永久磁鐵 (圖 1)。馬達控制器連接到定子，存取位置資料並為繞組供電。

圖 1：三相無刷直流馬達的控制器切換定子繞組 (U、V、W) 的通電狀態及其極性，進而改變磁場方向。轉子包含永久磁鐵 (藍色)，會旋轉以對齊定子的磁場方向。(圖片來源：Qorvo)

將定子中的一組繞組通電會產生磁場，轉子中的永久磁鐵會對此磁場做出反應。異性磁極的吸引力會使轉子旋轉。在轉子的磁場與定子的磁場對齊之前，控制器會切換通電的繞組，以改變磁場的方向，使轉子持續動作。

在實務上，控制器發送到定子的電流脈衝切換開關及改變極性，此頻率可讓電流由波形表示。圖 1 所示的切換機制以梯形波表示。其他馬達－包括永磁同步馬達(PMSM)，其結構與無刷直流馬達類似，但使用變化的電流來旋轉磁場鎖定轉子－具有正弦波波形。調整這些波的振幅和相位，可以改變馬達的速度和可用扭矩。

控制器也會從位置感測器 (如霍爾效應感測器或光學編碼器) 接收持續回授。在無感測器無刷直流馬達中，透過測量反電動勢 (BEMF)，即由通電繞組產生的磁場在未通電繞組中產生的電流，來確定轉子的位置。

馬達驅動器發展

考量到監控、供電、控制無刷直流馬達所需的複雜架構，無怪乎早期工業環境中使用固態電子元件的無刷直流馬達控制器需要單獨的機櫃空間以及粗電源線和數據線連接到馬達。積體電路 (IC) 更精密，促使馬達控制器體積越來越小，直到可以納入印刷電路板 (PCB) 中。儘管馬達控制器不斷縮小，其功能仍在不斷擴張。

例如，Qorvo 的 ACT72350 三相無刷直流馬達驅動器 (圖 2) 將可配置類比前端 (AFE)、可適應各種電源配置的電源管理模組，以及應用專用馬達驅動器 (ASPD) 整合在一個 9 mm x 9 mm 四方扁平無引線 (QFN) 表面黏著元件中。

圖 2：ACT72350 是整合 AFE 電路和可配置電源管理功能的三相無刷直流馬達驅動器，採用緊湊型表面黏著封裝。(圖片來源：Qorvo)

ACT72350 的可配置 AFE 具有三個差動可編程增益放大器、四個單端可編程增益放大器、兩個 10 位元數位類比轉換器、十個比較器，能夠做為感測器和控制電路之間的橋樑。此外，可透過序列週邊介面 (SPI) 從外部微控制器單元 (MCU) 接收脈寬調變 (PWM) 控制訊號。

ACT72350 具有可配置的電源管理模組，能接收 25 V 至 160 V 之間的直流輸入電壓，包括高達 20S 標準的電池電源 (標稱 72 V 或充滿電時 84 V)。其高壓切換式電源可提供穩定的 12 V 或 15 V 輸出電壓。此外，可為 ACT72350 模組和 MCU 提供穩定的 5 V、200 mA 電源。

ACT72350 的 ASPD 可以採用半橋、H 橋、三相架構驅動馬達 (圖 3)。三個 160 V 高側閘極驅動器和三個 20 V 低側閘極驅動器，每個都具有 2 A (流入)／2 A (流出) 閘極驅動能力，可進行快速切換，提高馬達速度。

圖 3：ACT72350 ASPD 模組的方塊圖，顯示高側和低側閘極驅動器。nBRAKE 引腳由外部控制器啟動，用於停止馬達旋轉以確保安全。(圖片來源：Qorvo)

ACT72350 減少用於控制無刷直流馬達所需的電子元件數。此單元在單一緊湊的表面黏著封裝中整合各模組，包含類比訊號輸入管理、電源輸入接收和標準化，以及馬達驅動。此外，ACT72350 允許任何選定的 MCU 透過 SPI 提供控制訊號，保持設計的靈活性。

無人機部署

將無刷直流馬達的控制電子裝置簡化為單一整合式封裝加上一個 MCU，非常適合重視空間和重量的應用 (如無人機和其他無人飛行器)。這些系統的設計人員選擇無刷直流馬達，以充分運用每一分的空間和每一克的重量，而馬達驅動器也需配合。無刷直流馬達的高扭矩重量比對無人機旋翼或螺旋槳而言，提供相對較輕的動力。其能源效率超過 85%，可在單次電池充電後承載更大的酬載或飛行更久。

ACT72350 馬達驅動器將多種功能整合在單一小型封裝中，可達到高空間利用率，同時提供高品質的馬達效能。無人機和無人飛行器無需控制櫃和粗重的纜線，設計人員只需在飛行器上部署多個 ACT72350、一個電池組和所選的 MCU 即可。ACT72350 上的高電壓閘極驅動器支援高速切換，達到平穩操作，釋放飛行控制板 MCU 的效能，使其能夠執行更高等級的飛行指令。

針對無人地面車輛 (UGV)，空間和重量效率可能沒那麼重要，但其設計人員仍然選用無刷直流馬達，因為無刷直流馬達在推進應用中具有高扭矩能力，並且在轉向應用中能夠提供精確的動作。無刷直流馬達也因為維護要求低，非常適合戶外環境，因此在這些應用中備受青睞。

重新構想機器人

低維護成本的無刷直流馬達在機器人領域也頗具優勢，因為能確保在高循環應用提供長期可靠性。 無刷直流馬達用於驅動工業機器手臂、外骨骼、材料抓取器、機械手臂、義肢，以及人形陪伴機器人的關節運動。

在這些應用中，無刷直流馬達的輕巧緊湊設計有助於達到高效率操作、高精密度，以及可達到的動作範圍。無刷直流馬達的高扭矩重量比不僅適用於無人機，也能夠在為機器人提供動力時不會增加重量或體積。ACT72350 整合 AFE，提供高達 2 A 的流入和流出驅動能力，接收多重轉子位置感測器的訊號或測量反電動勢，在機器人應用中確保達到精準的速度控制。

這些應用也相當注重安全性，因為設備經常在人員附近或高價物品或設備周圍運作。AFE 能讓系統出現過溫、過壓和過電流的情況時立即反應，以免對電子裝置或周遭人員造成危害。ACT72350 還可透過其 ASPD 的 nBRAKE 引腳提供緊急關斷功能。MCU 或備援安全 MCU 能向 nBRAKE 引腳發出 50 µs 訊號，就可停用所有高側閘極驅動器，同時由低側閘極驅動器執行關斷並忽略 PWM 輸入。

結論

設計人員在醫療、消費性產品、汽車、娛樂、工業等領域的眾多應用中採用無刷直流馬達。為了充分運用無刷直流馬達的效率、扭矩、高速、精密度、低維護要求之優勢，設計人員還必須選擇能夠處理複雜功能組合的馬達驅動器，包含類比感測器輸入、MCU 的數位命令、具有不同電壓和電流的電源，以及為馬達繞組供電所需的快速切換電流脈衝等。Qorvo 的 ACT72350 等馬達控制器將這些功能整合在一個緊湊的封裝中，有助於無刷直流馬達在進階應用中達到高效能。