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RoBoard 研習營 馬達 基本認識 與 BLDC 驅動實驗. DMP Electronics Inc April 2013. 大綱. 馬達基礎原理 馬達分類以及內部構造 脈衝寬度調變技術 (PWM) MOSFET 簡介 BLDC 驅動電路 BLDC 驅動原理. 馬達基礎 原理. 馬達與機電整合. 馬達是許多 電動機械 的動力來源，是一個將 電能 轉換成 機械能 的裝置。 若再將 控制理論 應用於馬達上，就成了現今工業界使用最廣的機電整合系統，也就是 伺服馬達 ( Servo Motor ) 。. 機械. 電磁學. 馬達. 伺服馬達. 控制.
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RoBoard 研習營馬達基本認識與BLDC驅動實驗 DMP Electronics Inc April 2013
大綱 • 馬達基礎原理 • 馬達分類以及內部構造 • 脈衝寬度調變技術 (PWM) • MOSFET 簡介 • BLDC 驅動電路 • BLDC 驅動原理
馬達與機電整合 • 馬達是許多電動機械的動力來源，是一個將電能轉換成機械能的裝置。 • 若再將控制理論應用於馬達上，就成了現今工業界使用最廣的機電整合系統，也就是伺服馬達(Servo Motor)。 機械 電磁學 馬達 伺服馬達 控制
電磁關係 • 根據電磁學理論，我們知道線圈在通電後，可使線圈產生磁場，藉由改變線圈內電流的流向與大小，即可改變線圈的磁場方向與大小，產生磁力控制馬達轉子旋轉。
基礎旋轉原理 (DC Motor) • 下圖中兩個固定的場磁鐵提供恆定的磁通方向，而中間的線圈利用電刷令其旋轉至對應角度時，反轉自身的電流流向，根據電動機左手定則，線圈電流的換相使磁力恆產生令線圈旋轉的定向力矩。
基本構造 • 馬達的種類很多，以基本結構來說，其組成主要由定子（Stator）和轉子（Rotor）所構成，定子在空間中靜止不動，轉子則可繞軸轉動，由軸承支撐。 • 定子與轉子的磁通面之間會有一定的空氣間隙(氣隙)，以確保轉子能自由轉動。 轉子 定子
繞組與氣隙 • 一般的馬達其氣隙及繞組通常為徑向的，但是由於馬達的應用範圍廣泛，因此也漸漸發展出不同的需求，徑向繞組徑向氣隙的馬達在外型上常受限為圓筒狀。 徑向氣隙 徑向繞組徑向氣隙馬達
繞組與氣隙 • 為了讓馬達能在外型上有更多的選擇，因而發展出了軸向繞組與軸向氣隙的馬達，依下圖所示如馬達外型需為扁平形狀，則軸向繞組軸向氣隙的馬達比徑向的更能勝任。 軸向氣隙 軸向繞組軸向氣隙馬達
DC Motor (有刷直流馬達) • 最初也是構造及控制最簡單的一種馬達，轉子線圈利用電刷令電流在正負相間換相，轉速由繞組線圈的電壓決定，驅動電路簡單，如不須對馬達進行控制，直接以直流電供電即可使馬達旋轉，不似其他類型馬達，無須驅動電路即可旋轉。
BLDC(無刷直流馬達) • BLDC 之所以稱無刷直流馬達，是因為 BLDC無須透過電刷進行電流換相，且馬達特性與 DC Motor 相同，轉速同樣由繞組線圈的電壓決定，與 DC Motor 相比少了噪音與電刷磨損的問題。 • BLDC 無法直接通電旋轉，需透過驅動電路將單一直流電轉換成三相電流。
BLDC(無刷直流馬達) • BLDC 以繞組線圈為定子，其實在各種馬類型中，除了 DC Motor 因為具有電刷構造，因而是以繞組線圈為轉子外，其他類型馬達的繞組線圈皆為定子，除非你希望在馬達旋轉時，電源與電線跟著一起旋轉。 繞組定子 繞組線圈 軸承 永磁轉子
三相單極 BLDC • 在 BLDC 發展初期，積體電路技術尚未普及，當時的 BLDC 大多為三相單極型，驅動電路透過與馬達轉子連動的旋轉快門與光電元件可以達成 120 機械式換相，以右下方圖中為例，當 PT1 未被旋轉快門遮蔽時，則電路開關 Tr1 為 導通，Tr2 與 Tr3 為斷路，W1 因此通電產生磁場吸引轉子磁鐵的 N 極，只要電路通電轉子就會持續轉動。
三相單極 BLDC • 單極型 BLDC 雖然電路簡單且可進行機械式換相，但隨著積體電路的普及與微處理器的出現，為了提高 BLDC 的效能，此種類型的馬達已漸漸的不符合大部分的需求。
三相雙極 BLDC • 雙極型 BLDC 採用三相電橋式電路進行驅動，之所以稱單極型、雙極型，兩者之間的主要差異在於，單極型線圈的電流為直流電，雙極型線圈的電流則是在正負間轉換的交流電。 單極型驅動電路 雙極型驅動電路
BLDC 的驅動方式 • 雙極型BLDC 使用橋式電路與功率開關進行三相的電流換相，而換相的時機透過霍爾元件偵測馬達永磁轉子的角度得知。
BLDC 的驅動方式 • 下圖為 BLDC 普遍的電流驅動方式，圖中當線圈變為紅色時表示電流經該線圈流入馬達，變為藍色時表示電流經該線圈流出馬達，黑色則表示該線圈此時無電流流通。
PMSM (永磁同步馬達) • PMSM 與 BLDC 構造相似，差異僅在於定子繞組不同，PMSM 的定子繞組方式使馬達的反電動勢(感應電動勢) 為弦波電壓，BLDC 則為方波電壓。 • PMSM 與 BLDC 同樣為三相電流驅動，各相弦波電流的相位差為 120
馬達的感應電動勢 • 馬達是一種利用電磁原理進行能量轉換的裝置，馬達除了消耗電能產生轉矩 (機械能) 外，也可以反過來轉動馬達轉子產生電能，感應電動勢即是轉子旋轉時產生的感應電壓，接著就讓我們 試著旋轉一顆馬達，並接上示波器，看看會發生什麼現象?
PMSM 的驅動 • PMSM 因為感應電動勢為弦波，並不適合單純的電流正負換相驅動，需要利用脈衝寬度調變技術 (PWM) 去產生弦波電流，因此控制上較 BLDC 複雜許多。
PMSM 與 BLDC • PMSM 與 BLDC 本質上是相同的馬達，實際應用上常因為性能上的需求，設計各種介於弦波與方波間的反電動勢馬達，而驅動電流的控制，也常常不一定就是標準的方波或弦波。 • 隨著微處理器與電子技術的進步，BLDC 為求降低轉矩漣波與進行精密控制，也越來越朝 PMSM 發展，使得兩者間的分界也越來越模糊。
磁阻馬達 • 磁阻馬達藉由最小磁阻原理來產生轉矩，如下圖所示 2 個導磁材料其中一個為繞組定子，通電後產生磁場，因為磁導材料間的磁力線不是最短距離，因此會產生磁阻力令磁導材料往磁力線最短的距離移動，如下圖所示。
切換式磁阻馬達 • 磁阻馬達發展初期利用切換各相電流開關，依序對各相線圈激磁來驅動馬達轉子，後來便將此類馬達歸類為切換式磁阻馬達。 凸極為產生磁阻力的機構
切換式磁阻馬達的驅動 • 切換式磁阻馬達的驅動主要有以下特徵： • 定子磁場旋轉方向與馬達轉子轉向相反，但兩者的旋轉速度相同。 • 定子繞組線圈電流為直流電，且通常為單相激磁。
同步式磁阻馬達 • 隨著電子技術的發展，開始出現了以 PWM 技術產生弦波電流驅動的磁阻馬達，這類型的馬達稱之為同步式磁阻馬達。
同步式磁阻馬達 • 同步式磁阻馬達的特徵： • 定子繞組磁場旋轉方向與轉子旋轉方向相同且同步。 • 必須同時以多相的弦波電流激磁驅動，在驅動上較切換式複雜但轉矩輸出較穩定且電能效率較高。 Phase Angle
步進馬達 • 步進馬達的特徵是採用脈波訊號進行開迴路(Open Loop) 控制，無需進行轉子角度的偵測與反饋，只要符合上述特徵的馬達皆可稱為步進馬達。但隨著步進馬達的發展，現在幾乎都是以磁阻馬達為主流。
VR 型步進馬達 (可變磁阻) • 隨著步進馬達的發展，現在幾乎都是以磁阻馬達為主流，應用最小磁阻原理運轉的磁阻馬達，可透過如齒輪狀突起的小齒結構，達到高解析度的定位。
HB 型步進馬達 (混合型) • 一般磁阻馬達內部並不具備永久磁鐵，因為使用導磁材料即可產生磁阻力，然而為了進一步提升步進馬達的解析度，會在轉子中間加裝一永久磁鐵，如右圖所示中間的永久磁鐵會分別把轉子 1 與轉子 2磁化成不同的磁極。
HB 型步進馬達 (混合型) • 轉子 1 與轉子 2 除了磁極相反之外，與定子小齒的對應方式也相反，如右圖所示當定子與轉子 1 為凸極對凸極時，定子與轉子 2 則為凸極對凹槽，使得 HB 型步進馬達可提供較 VR 型雙倍的解析度。 轉子 1 轉子 2
HB 型步進馬達的定位 • 轉子 1 與轉子 2 各磁化為 N 極與 S 極，下圖中 A 相定子先激磁為 S 極，轉子 1 凸極與 A 相定子凸極相吸，接著換 B 相定子激磁為 N 極，轉子 2 凸極與 B 相定子凸極相吸，而轉子只位移了十分之一的徑節 (diametral pitch)。
HB 型步進馬達的定位 • 以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離 5，而 =0.72 36+ 0 36+ C A B 2(36+) 3(36+) 5 2 4(36+)
HB 型步進馬達的定位 • 以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離 5，而 =0.72 36+ 0 36+ B C D 2(36+) 3(36+) 5 2 4(36+)
HB 型步進馬達的定位 • 以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離 5，而 =0.72 36+ 0 36+ E C D 2(36+) 3(36+) 5 2 4(36+)
HB 型步進馬達的定位 • 以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離 5，而 =0.72 36+ 0 36+ D E A 2(36+) 3(36+) 5 2 4(36+)
HB 型步進馬達的定位 • 每一相定子繞組皆相隔 36+，除了 E 相與 A 相的定子繞組，由下圖可知，同一相定子繞組之兩極為共軸，角度相差為 180，所以 E 相與 A 相間的距離須調整為 • 180-4(36+ )=36-4 36+ 0 36-4 B E A 2(36+) 3(36+) 5 2 4(36+) 180
感應馬達 • 感應馬達是應用電磁感應促使轉子旋轉的馬達，當導電材料之磁通量產生變化時，依照冷次定律導電材料內部會產生電流 (感應渦流)，並生成磁場抵抗磁場變化，如下圖所示相對應之磁斥力與磁吸力也因而產生，如果導電線圈為可移動，則線圈即會隨著磁鐵 (磁場) 移動。
感應馬達的結構 • 下圖為三相感應馬達的構造圖，馬達的定子部分與其餘馬達一樣由電流線圈組成，轉子的部分則較為特別稱為鼠籠結構，為大部分感應馬達所使用的導電材料轉子結構。
感應馬達的特性 • 與 PMSM 相同，應用 PWM 技術產生三相弦波電流即可驅動感應馬達旋轉。 • 感應馬達又稱異步馬達，由運轉原理可知磁場旋轉速度與馬達導體轉子轉速會存在一轉速差，且轉速差異越大導體內的感應電流也越大，雖與永磁無刷馬達以及磁阻馬達等馬達同為旋轉磁場驅動轉子，但並不相似於同步馬達磁場旋轉速度需與馬達轉子配合。
PWM 控制 • 脈衝寬度調變(PWM)技術常被應用於馬達的控制上，以 BLDC 為例，線圈通電時 MOSFET 依照 PWM 訊號開關，而非完全導通，如此便可在不改變對驅動電路供電電壓的情形下，對馬達進行轉速或扭力控制。
Dutyof PWM Control • Duty 為 PWM 方波的一個週期內導通的百分比，假設供給驅動電路的電壓為 V 且 Duty 為 50%，則此時馬達的相電流平均電壓為 V × 0.5。 • 馬達線圈內阻為固定值，改變平均電壓即等同改變線圈電流大小，進而對馬達進行控制。
PWM 變壓實例 • 具有 PWM 功能的電子晶片可經由指定腳位輸出 PWM 訊號，將晶片輸出的 PWM 訊號接 LED 燈泡的正極，再將LED 負極與晶片共地，就可藉由改變 PWM 的 Duty 來控制 LED 的亮度。
Frequencyof PWM Control • 頻率為 PWM 周期的倒數，由下圖可知，當 Duty 相同時頻率越低則電流的變化幅度越大，則馬達的轉矩輸出也越不穩定，提高 PWM 的頻率可獲得較穩定之相電流及轉矩輸出。 Ua Ia
Frequencyof PWM Control • 雖然 PWM 頻率越高馬達的電流及轉矩也越穩定，但是受限於實際的物理條件，當開關切換頻太高時，可能會發生電流不足以及電子元件過熱的情形，因此 PWM 的頻率應在馬達的控制與驅動需求，以及電子元件的規格間取得合適的平衡點。 Ua Ia
MOSFET • MOSFET 為金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的縮寫，MOSFET 的汲極與源極之間存在半導體電流通道，通道開關與否由閘極控制。 • MOSFET 依照通道類型分為 N-type與 P-type，在數位電路的應用上，兩者的特性剛好相反。
N-channelMOSFET • N-channel 的 MOSFET 之基本應用電路如右下圖所示，電晶體的汲極接一正電壓，源極則接地，閘極則接收 PWM 訊號， N-channelMOSFET 的開關特性為當 (VDS - VGS) VGS(th)時，電流才能從汲極流向源極，而電流通道大小以及 VGS(th)的值則需參考電晶體製造商提供的 Datasheet。 Drain Source
