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簡化BLDC馬達控制技術

撰文/簡文烯    

從手機中的小型振動馬達到家用洗衣機和空調中使用的更複雜的馬達,馬達已成為消費領域中的日常裝置。馬達同樣也是工業領域中的一個重要組成部分,在很多應用中廣泛運用,如驅動風扇、泵等各種機械設備。



這些馬達的能量消耗是非常巨大的:研究表明,僅在中國,馬達所消耗的能源占工業總能耗的60%至70%,其中風扇和泵所消耗的能源占中國整體功耗的近四分之一。儘管這個數字在其他國家可能沒那麼高,但降低電子系統中的馬達能耗已在全球成為必須優先考量的議題。



一個多世紀以來,傳統的交流(AC)馬達已被廣泛使用。交流馬達是設計最簡單的感應馬達,但他們卻造成了大量能源的浪費。這是因為交流馬達只輸出恒定速度,不能隨工作條件的變化進行自我調整。現在已有一些調節交流馬達速度的簡單方法(例如,可以提供三種速度選擇的標準家用風扇),但這些方法的應用範圍有限,而且難以轉移到更為複雜的系統。



但對於直流(DC)馬達,可以通過改變電壓來改變和控制速度,從而根據應用需要來加快或減慢工作速度。這可以節省大量的能源,因為馬達可以根據需要的條件來運行。在一般情況下,DC馬達比AC馬達更有效率。



BLDC馬達的優勢



DC馬達可被設計為有刷馬達或無刷馬達。無刷直流(BLDC)馬達通常是大多數應用的最佳選擇。這種馬達更可靠、更安靜,產生的電磁輻射更少,並且更為安全,因為它們消除了由於電刷和換向器而產生的火花。BLDC馬達體積更小、效率更高,這意味著它們需要使用更少的能源。



BLDC馬達的運行溫度低於AC馬達,更為高效的設計使得其內部零件產生的熱量更少。 這不僅能夠增加軸承系統的使用壽命,還能夠提高電氣系統及風機的可靠性。此外,BLDC馬達的功率密度也高於AC馬達。對於相同的能量輸出,DC馬達的體積和重量都小於AC馬達。這使得BLDC馬達的運輸和安裝更為容易且成本更低。



不過,使用BLDC馬達的麻煩之處在於系統需要更複雜的電子設備來管理馬達。馬達控制一向不是電子工程師的重點領域,許多開發人員因缺乏經驗或專業知識而無法輕鬆設計出必要的控制電路。BLDC馬達的研發需要額外的時間和技術支援,這意味著需要更長的開發週期及更高的系統成本,這就使得系統製造商更難以從熟悉的AC馬達過渡到BLDC馬達。



然而,對於越來越多的製造商來說,使用BLDC馬達產生的複雜性並不會隨著市場對更節能家電需求的增加而有所抵銷。2011年IMS調查顯示,中國大約40%的空調採用了變頻控制BLDC馬達。這種情況呈上升趨勢,並且,在某種程度上,得助於因專為BLDC馬達控制而設計的專用電路。



無感測器磁場導向控制技術



用於控制BLDC馬達的傳統方法採用的是驅動定子的六步過程,由此在產生的轉矩上產生脈動。所謂的「六步方波」過程採用霍爾效應感測器來檢測BLDC馬達中的永磁位置。



六步過程相對簡單,但容易產生噪音,並且對於需要根據條件的變化快速改變馬達轉速的更先進應用來說,其回應能力不足。以洗衣機為例,負載根據所選擇的洗滌週期有所不同,並且在整個週期過程中也有所變化。在滾筒式洗衣機中,這種情況更加複雜,當衣物旋轉到滾筒頂端時,重力會對馬達產生影響。



在這些情況下,需要一個更先進的演算法。磁場導向控制 (FOC) 能夠提供速度快速變化所需的回應時間,已成為當今更先進節能家電的馬達控制方法選擇。



有多種方式可以實現FOC。其中一個方法是使用感測器(與六步方波過程方法類似),但感測器較難以安裝和維護,尤其是在應用涉及複雜線束或馬達暴露在水中時。實現FOC更簡單、更具成本效益的方法是取消感測器。無感測器FOC涉及由永久磁鐵在轉子上產生的恒定轉子磁場,是一種非常有效的控制方法。



FOC方法可以讓馬達在全轉速範圍內順利運轉,在零速時產生最大轉矩,並能夠快速加速和減速。事實上,由於馬達的尺寸小、成本和功耗低,無感測器FOC的諸多優勢使其在對性能要求較低的應用中成為廣受歡迎的選擇。(作者任職於快捷半導體)


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