使用無感測向量控制搭配 BLDC 與 PMS 馬達來達到精密的動作控制

精密動作控制的需求在各種應用中逐漸攀升，例如機器人、無人機、醫療裝置與工業系統等。無刷 DC 馬達 (BLDC) 與 AC 驅動永磁同步馬達 (PMSM) 皆可提供需要的精密度，同時還可滿足緊湊尺寸下的高效率需求。然而，有刷 DC 馬達及 AC 感應馬達皆可輕鬆連接後運作，但 BLDC 與 PMSM 則有所不同，且更加複雜。

舉例來說，有多種技術，特別是無感測向量控制 [亦稱為磁場導向控制 (FOC)] 技術，皆可提供優異的效率，並可享受免感測器硬體的優勢，因此可降低成本並提升可靠性。對設計人員來說，問題在於無感測向量控制在實作上較為複雜，因此若要採用會拉長開發時間並增添成本，甚至可能會錯失上市良機。

為了克服此兩難困境，設計人員可轉用開發平台與評估板，其中已內建無感測向量控制軟體，因此他們就能專注在系統設計問題上，而不會因為要處理控制軟體編程的繁瑣小事而陷入困境。除此之外，這些開發環境含有所有馬達控制器及電源管理硬體，且都整合到完整系統中，因此能加速上市時間。

本文將簡介一些精密動作控制的需求，並探討有刷 DC、AC 感應、BLDC 與 PMSM 之間的差異。接著將概述向量控制的基本知識，然後介紹來自 Texas Instruments、Infineon Technologies 與 Renesas Electronics 的一些平台與評估板，並提供一些設計指南，以利開發精密的動作控制系統。

精密動作控制應用的範例

無人機是複雜的動作控制系統，通常採用四個以上的馬達。精密且協調的動作控制有其需求，才能讓無人機盤旋、攀升或降下 (圖 1)。

圖 1：無人機通常採用四個以上的馬達，通常是 BLDC 或 PMSM，每分鐘達 12,000 轉 (RPM) 以上，由電子速度控制器 (ESC) 驅動。此範例顯示出無人機中的 ESC 模組採用無刷馬達搭配無感測控制。(圖片來源：Texas Instruments)

為了要盤旋，推動無人機上升的轉子淨推力必須加以平衡，且確實等於將其向下拉的重力。逐漸均衡地增加轉子推力 (速度)，無人機就會垂直爬升。相反地，降低轉子推力就會導致無人機下降。除此之外，還有偏航 (無人機旋轉)、俯仰 (無人機前後飛行)，以及滾轉 (無人機左右飛行)。

具有精密且重複的動作是許多機器人應用的特點之一。固定式多軸工業機器人必須在三維度上提供不同力道，藉此搬動不同重量的物件 (圖 2)。機器人內的馬達能以精密程度提供變動速度與扭力 (轉動力)，機器人控制器即可藉此協調動作與不同軸，達到確切的速度與定位。

圖 2：固定式多軸工業機器人必須在三維度上提供不同力道，藉此搬動不同重量的物件，並與組裝線上的其他機器人協調其活動。(圖片來源：Texas Instruments)

若是有輪子的活動式機器人，則可使用精密的差動驅動系統來控制速度與動作方向。可使用兩個馬達來提供動作，搭配一或兩個萬向輪來平衡負載。兩個馬達會以不同速度驅動，即可達到轉動並變換方向，兩個馬達相同速度的話，則會向前或向後直線動作。即便馬達控制器與傳統的轉向系統相比更為複雜，但此作法更精密、機械構造較簡易，因此也更可靠。

馬達的選擇

基本的 DC 馬達與 AC 感應馬達相對便宜且容易驅動。廣泛用於多種應用，從西沉氣到工業機械、起重機與電梯等。即便不昂貴且容易使用，卻無法提供一些應用所需的精密操作，例如機器人、無人機、醫療裝置、精密的工業設備等。

簡易的有刷 DC 馬達可透過機械式的電流方向切換，並使用換向器與電刷達到轉動的協調，藉此產生扭力。有刷 DC 馬達的缺點包括電刷會磨損，因此需要維護，而且會產生電氣雜訊與機械雜音。可使用脈寬調變 (PWM) 驅動來控制轉動速度，但礙於有刷 DC 馬達固有的機械本質，要達到精密的控制與高效率則有所困難。

BLDC 不像有刷 DC 馬達需要換向器與電刷，且依據定子的繞線方式而定，也可使用 PMSM。BLDC 馬達內的定子線圈採用梯形繞線，因此產生的反電動勢 (EMF) 具有梯形波形，PMSM 定子則採正弦繞線，因此會產生正弦反電動勢 (E_bemf) (圖 3)。

圖 3：PMSM 馬達會產生正弦 E_bemf，BLDC 馬達則產生梯形 E_bemf 波形。(圖片來源：Texas Instruments)

BLDC 與 PMSM 馬達的扭力屬於電流與反電動勢的作用之一。BLDC 馬達由方波電流驅動，PMSM 馬達則由正弦電流驅動。

BLDC 馬達特點：

• 更容易利用六階方波 DC 電流進行控制
• 產生明顯的轉矩漣波
• 成本與效能比 PMSM 更低
• 實作時可搭配霍爾效應感測器或無感測控制

PMSM 特點：

• 使用三相正弦 PWM，因此控制更複雜
• 無轉矩漣波
• 效率、扭力與成本比 BLDC 更高
• 實作時可搭配軸角編碼器或無感測控制

何謂向量控制？

向量控制是一種可變頻率馬達驅動控制方法，其三相電動馬達的定子電流會被視為兩個直角元件，可透過向量視覺化呈現。有個元件會指定馬達的磁通量，另一個則指定扭力。向量控制演算法的核心是兩種數學轉換：克拉克轉換會將三相系統修改成雙座標系統；帕克轉換則會將雙向固定系統向量轉換成旋轉系統向量及其倒數。

使用克拉克與帕克轉換會將可控制的定子電流帶倒轉子域。如此一來就能讓馬達控制系統判定要供應給定子的電壓，以便在動態變化負載下達到最大扭力。

高效能的速度及／或位置控制需要對轉子軸心的位置與速度有即時且精密的瞭解，以便將相位激磁脈衝與轉子位置達到同步化。此資訊通常會由感測器提供，例如裝在馬達軸心上的絕對編碼器及磁性解算器。這些感測器有幾個系統缺點：較低可靠度、雜訊易受性、更高成本與重量、更高複雜性。無感測向量控制就無需速度／位置感測器。

高效能的微處理器與數位訊號處理器 (DSP) 可在進階系統模型中促進融入現代化且有效的控制理論，確保讓任何即時馬達系統達到最佳化的功率與控制效率。由於運算能力逐漸增加，以及微處理器與 DSP 的成本逐漸降低，因此預期無感測控制幾乎會全面取代有感測向量控制，以及簡易但較低效能的單變數無向量 V/f 控制。

驅動工業及消費性機器人的三相 PMSM 及 BLDC 馬達

若要克服向量控制的複雜性，設計人員可使用現成的評估板。舉例而言，Texas Instruments 的 DRV8301-69M-KIT 屬於 DIMM100 controlCARD 架構主機板評估模組，設計人員可用此開發三相 PMSM/BLDC 馬達驅動解決方案 (圖 4)。其中含有 DRV8301 三相閘道驅動器搭配雙通道分流放大器、一個降壓穩壓器，以及一個 InstaSPIN 功能 Piccolo TMS320F28069M 微控制器 (MCU) 板。

圖 4：設計人員可使用 DRV8301-69M-KIT 馬達套件開發三相 PMSM/BLDC 馬達驅動解決方案，其中含有一個 DRV8301 及一個 InstaSPIN 功能 Piccolo TMS320F28069M MCU 板。(圖片來源：Texas Instruments)

DRV8301-69M-KIT 是 InstaSPIN-FOC 及 InstaSPIN-MOTION Texas Instruments 技術架構馬達控制評估套件，可轉動三相 PMSM 與 BLDC 馬達。透過 InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT 能讓開發人員快速識別、自動微調並控制三相馬達，提供「立即」穩定且可運作的馬達控制系統。

搭配 InstaSPIN 技術後，DRV8301-69M-KIT 提供高效能、省電、符合成本效益的無感測或編碼器感測器功能的 FOC 平台，可加速開發並更快上市。適合的應用包括不到 60 V 及 40 A 的同步馬達，可驅動泵浦、閘門、升降機與風扇，以及工業與消費性機器人及自動化。

DRV8301-69M-KIT 硬體特點：

• 三相逆變器基板，並有介面可接受 DIMM100 controlCARD
• DRV8301 三相逆變器整合式電源模組 (含整合式 1.5 降壓轉換器) 基板，可支援高達 60 V 及 40 A 連續電流
• TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC 與 InstaSPIN-MOTION 卡
• 可搭配支援 MotorWare 的 TMDXCNCD28054MISO (另售) 及 TMDSCNCD28027F 以及外接模擬器 (另售)

高效能、高效率的 PMSM 及 BLDC 馬達驅動

Infineon Technologies 的 EVAL-IMM101T 是全功能的入門套件，其中含有一個 IMM101T Smart IPM (整合式電源模組)，可提供全整合式、立即可用的高電壓馬達驅動解決方案，能讓設計人員搭配高效能、高效率的 PMSM/BLDC 馬達使用 (圖 5)。EVAL-IMM101T 亦含有其他必要的電路，可滿足 IMM101T SmartIPM 的「開箱即用」評估作業需求，例如整流器與 EMI 濾波級，還有隔離式除錯器區塊，並具有接至 PC 的 USB 連接。

圖 5：IMM101T 評估板是完整的解決方案，其中含有動作控制引擎 (MCE 2.0)、閘極驅動器、採用無感測 FOC 驅動 PMSM 與 BLDC 馬達的三相逆變器。(圖片來源：Infineon Technologies)

EVAL-IMM101T 可在設計人員剛開始使用 IMM101T SmartIPM 開發應用時提供支援。此評估板搭載所有組件類別，可達到無感測 FOC。其中含有一個單相 AC 連接器、EMI 濾波器、整流器以及三相輸出，可連接馬達。功率級亦含有電源分流器，可進行電流感測，並具有一個分壓器，可進行直流鏈電壓管理。

Infineon 的 IMM101T 針對 PMSM/BLDC 驅動系統提供不同的控制配置選項，採用緊湊的 12 x 12 mm 表面黏著封裝，可將外部元件數及印刷電路板面積降至最低。此封裝經過熱強化，因此無論是否有散熱片，皆可運作良好。此封裝底下的高壓焊墊之間具有 1.3 mm 沿面距離，因此能簡化表面黏著作業並提升系統耐用度。

IMM100 系列整合一個 500 V FredFET 或一個 650 V CoolMOS MOSFET。IMM100 系列適合的應用，涵蓋 25 W 至 80 W 額定輸出功率，並搭配 500 V/600 V 最大 DC 電壓，視封裝採用的功率 MOSFET 而定。在 600 V 款式中，Power MOS 技術額定值為 650 V，閘極驅動器額定值為 600 V，其可決定系統的最大允許 DC 電壓。

24 V 馬達控制評估系統

24 V PMSM/BLDC 馬達驅動的設計人員可採用 Renesas 的 RTK0EM0006S01212BJ 馬達控制評估系統搭配 RX23T 微控制器 (圖 6)。RX23T 裝置屬於 32 位元微控制器，適合單逆變器控制，搭配內建的浮點單元 (FPU)，即可用來處理複雜的逆變器控制演算法。如此即有助於大幅減少軟體開發與維護所需的工時。

圖 6：Renesas 的 24 V 馬達控制評估系統適用於 RX23T 微控制器，其中含有逆變器板，可驅動評估系統套裝隨附的 PMSM。(圖片來源：Renesas Electronics)

除此之外，歸功於核心，軟體待機模式 (搭配完全休眠) 所消耗的電流僅有 0.45 μA。RX23T 微控制器可在 2.7 至 5.5 V 範圍內操作，且在引腳排列與軟體層面上與 RX62T 系列非常相容。套件內含項目：

• 24 V 逆變器板
• PMSM 控制功能
• 三分流電流偵測功能
• 過電流保護功能
• RX23T 微控制器用的 CPU 卡
• USB mini B 纜線
• PMSM

結論

BLDC 與 PMSM 可用來提供精密的動作控制解決方案，既小巧且高效率。使用無感測向量控制搭配 BLDC 與 PMS 馬達，即可達到無需感測器硬體的優點，進而減少成本並提升可靠性。然而，在這些應用中採用無感測向量控制是複雜且耗時的過程。

如本文所示，設計人員可採用開發平台語評估板，其已搭載無感測向量控制軟體。除此之外，這些開發環境含有所有馬達控制器及電源管理硬體，且都整合到完整系統中，因此能加速上市時間。

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