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MCU数位控制IC技术日趋成熟

MCU数位控制IC技术日趋成熟

[导读] 变频马达主要依靠半导体元件组成的电子电路来驱动马达运转,其中MCU数位控制技术的好坏关系着马达效率是否理想;而在MCU控制技术日趋成熟,加上FOC演算法助力之下,变频马达效率将逐步跃进。
关键词:FOC马达ICMCU

  变频马达主要依靠半导体元件组成的电子电路来驱动马达运转,其中MCU数位控制技术的好坏关系着马达效率是否理想;而在MCU控制技术日趋成熟,加上FOC演算法助力之下,变频马达效率将逐步跃进。
  马达是家电产品中,不可或缺的动力元件,马达的使用量,也是生活舒适程度的指标之一。家电产品中,常见的马达基本上有三种:交流感应马达(AC Induction Motor, ACIM)、直流有刷马达(Brushed DC Motor)、直流无刷马达(BLDC/PMSM)(亦称变频马达)。事实上,马达的分类方式可从以下几点区分。
  电源
  从电源的使用上来看,可简易分成交流马达与直流马达两大类。
  控制方式
  从马达控制上来看,可以简易分成同步控制与非同步控制(感应控制)两大类。BLDC/PMSM马达采用同步控制方式,系利用定子上的电流控制来同步控制马达转子的旋转。ACIM马达采用的是感应控制方式,系利用定子的电流环的控制,感应带动转子,转子磁场环与定子磁场环因而存在速度差。
  定子绕线组数
  最常见的有三相马达与单相马达,其中三相绕组还有分成Y结线与星型结线两种。
  电刷
  从电刷有无来看,可以简易分成有刷马达与无刷马达两大类。有刷马达将直流电供给绕组的机构为电刷与整流子(固定在定子上的就是电刷,固定在转子上的就是整流子),无刷马达则是采用电子电路来取代电刷与整流子。
  家电产品加速导入高效率节能马达商机起飞
  驱动直流马达在家电产品的使用风潮的主因有以下几点。
  能源危机
  根据国际能源总署(IEA)资料显示,马达是耗电量最大的应用,约占全球电力消耗46%以上,因而也成为业界落实节能减碳的首要改善重点,其中直流马达在高效率节能上的表现,优于传统的ACIM。直流马达的使用,已渐成家电产品动力元件的趋势。
  据估计,从IE1升级到IE3,省电效率可提升8%。马达最低能效标准(MEPS)政策实施,目前是在宣导期,未来一旦进入强制期,将掀起一波马达汰旧换新风潮,并刺激马达制造商与半导体厂,加速推出更高效率的新方案。
  电源技术进步
  三个关键的电源技术锂电池元件、开关电源供应(Switching Power Supply)技术以及太阳能板电源技术的采用,让家电产品产品与行动电源结合成为新的安全家居与休闲概念产品。例如近年来在日本大为流行的充电式风扇,标榜为安全家电,其停电可使用电池,有电时使用转接头(Adaptor)透过市电供电。另外欧洲人喜欢旅游,充电式风扇可随身携带,露营时没有市电插,也可以有电风扇吹。充电式风扇除了可结合太阳能板充电,也可以利用汽车DC12伏特(V)充电,使用相当方便。
  数位控制IC技术成熟
  如今微控制器(MCU)价格大幅下降,以迎合家电产品设计加量不加价的设计需求。此外,数位脉宽调变(PWM)控制技术成熟,可用同一颗IC做到方波或弦波控制,让马达制造商与半导体业者在厂物料控管上更为方便。
  DC马达元件优势
  在同样功率下,DC马达功率转换效率比传统的ACIM还要好。此外,家电产品因应成本降低,常须使用塑胶材料,而塑胶材料非常怕过热,例如养生的果菜汁机、食品搅拌机等。DC马达相较AC马达不易发烫,因而更具优势。
  另一方面,在同样功率下,DC马达扭力也较ACIM强。近年来家电机构设计强调美观,有小型化设计趋势,因此DC马达较ACIM更合适用于体积小但要求大扭力的家电马达产品,例如电动起子、饮水机用水泵、医疗用气泵等。
  家电新趋势
  居家生活品质的提高已成为全球趋势,DC马达的静音诉求与无级调速功能大量运用在新家电产品功能设计上,例如DC落地扇、吊扇、空调产品等。

  驱动高效率BLDC MCU关键设计有门道
  BLDC马达控制主要是采用同步控制方式,更准确地说,BLDC是一种双回授控制方式。由MCU控制定子电流方向,主导转子下一步的位置,转子位置回授,转子位置回授分成有感测器(Hall或是Encoder)与无感测器(Sensorless)两种方法,另外,电流回授主要目的在于过电流保护用。整个BLDC方案系统方块图如图1;从图中,可以简易看出决定马达产品效率的关键元件。


图1 BLDC系统配置方块图


  Power电路
  主要分成市电应用与DC电源应用两种,主要设计考量为功率转换效率。
  MOS元件
  主要为Rds规格,考量重点在于金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)发热损耗。
  Gate Driver驱动电路
  主要有两种三级管电路与闸极驱动器(Gate Driver) IC;考量重点在于Gate Driver Rising/Falling Timing所造成的开关元件损耗。
  MCU
  依据产品方案需求,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。
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