MCU数位控制技术助力变频马达性能大跃进

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。