香嫦的隨筆

      最簡單啟動馬達的方法為方波驅動，利用霍爾訊號得到馬達轉子區間，在輸入正確的激磁電流即可轉動馬達，如圖1所示。當馬達位於區間1(0~60度)時SW1、SW4導通，電流由U相進V相出；位於區間2(60~120度)時SW1、SW6導通，電流由U相進W相出，其他的以此類推。 圖1 120度導通示意圖[1]                  最後，畫為時序圖後可發現每個電晶體導通120度電器角，因此稱為120度導通形式。圖2為馬達三相訊號、120度導通之相電壓訊號與霍爾訊號時序圖，可以發現120度導通之相電壓訊號會剛好對齊馬達相電壓訊號，也就是馬達要高電位時，輸入至馬達的電位也應要高電位，而角度剛好為120度；觀察相電壓與霍爾訊號，正電壓時輸出1反之為0，如此就能量測馬達轉子相對位置。180度導通，顧名思義就市電晶體會導通180電器角，詳細可參考 https://www.slideshare.net/roboard/bldc 。因霍爾訊號將馬達電器角分為6等份，依照霍爾訊號給予激磁電流產生三相方波，稱為六步方波。 圖2 三相訊號、120度導通三相訊號與霍爾訊號時序圖[2] reference: [1]  https://www.monolithicpower.com/Portals/0/Documents/Products/Documents/appnotes/Brushless%20DC%20Motor%20Fundamentals.pdf [2]  https://www.pmdcorp.com/resources/articles/28

        為了產生旋轉磁場使馬達轉動，一般使用三相六開關驅動電路，如圖1所示。使用單晶片發出電晶體導通訊號，藉以控制電晶體是否導通，來操控流進馬達的電流方向，此就能產生旋轉磁場。BLDC本質上是交流馬達(輸入馬達本體的電壓為交流電)，但因為是使用直流電源替整個系統供電(Bus上為直流電)，所以就稱為無刷"直流"馬達，個人覺得這命名有點怪怪的，但大家都這麼叫就別太在意了。         這時有一個問題，明明是交流馬達卻不直接吃交流電，還要搞一個驅動電路，不是脫褲子放屁嗎?其實應該可以直接吃交流電源供應器的電，但心臟沒那麼大顆也沒那麼有錢，所以沒試過。其根本的原因是這些馬達都屬於"同步馬達"，所謂的同步指的是旋轉磁場的轉動頻率和轉子轉動速率有某種比例關係，就好像旋轉磁場和定子轉軸"同步"旋轉，當馬達轉速較低時旋轉磁場頻率可能為10Hz，轉速較高時又拉到50Hz，一般的交流電源供應器不可能讓你這麼有彈性的控制三相頻率，所以解決方法就是自己做一個轉換器(Inverter)。有些示意圖會先將交流電轉為直流電，在將他輸入轉換器，他的意思只不過是這個系統可以吃單相交流電(可能是市電)而已。 圖1 三相六開關驅動電路[1] PWM         藉由單晶片輸出0與1的訊號就可以控制電晶體是否導通，使用PWM(pulse width modulation)就能夠控制電壓大小，藉以操控電流大小。快速按壓電燈的開關時，就會感覺電燈變暗，代表電壓的有效利用值下降，PWM的原理也相同，利用電子訊號快速切換電晶體是否導通，藉以控制電壓的有效利用值，工作原理如圖2所示。用一個三角波為基底並且設定一個基準值，當基準值比三角波大時輸出1，反之則輸出0。因為做為基底的三角波是不會變的，所以PWM的頻率不會改變(這很重要)，但基準值可依使用者需求改變，如此就能調整在同一週期中輸出出高、低電位的比例。PWM中高頻率可以有較穩定的電流輸出，但也必須使用更高級的電子元件，才能追得上切換時間。       一般而言，將同一週期中輸出高電位的比例稱為責任週期(Duty cycle)，在控制中通常使用Buck形式的計算，也就是 輸出電壓 = 輸入電壓*責任週期         假如輸入電壓為24V、責任週

        馬達為什麼會轉呢?相信國中時已經教過了，當時說的是直流馬達，如圖一所示。當電流為逆時針轉時，磁場方向由N到S，於是馬達順時針旋轉。使用電刷提供轉子電流，讓他在轉動時線圈不會纏繞，這種簡單的馬達也稱為有刷直流馬達，但時間久了電刷磨損馬達就壞掉了，因此有了其他解決方法。圖中的電磁鐵也可以用永久磁鐵代替。 圖1 直流馬達[1]         若今天我們將轉子變成一個永久磁鐵，定子由線圈纏繞，如圖2所示。設計一個電路可以控制電流流經線圈的方向與大小，就可以控制電磁鐵的磁場方向(N極或S極)與強度，來牽引轉子達到控制馬達的目的。 圖2 二極無刷直流馬達[2]         簡單的討論運作原理，當流經A相的電流較大B和C的電流較小時，可以想像A相之磁場較強而B、C相磁場較弱，此時磁場方向指向A1。0.1秒過後B相電流增大，A、C相減小，此時磁場方向指向B2，以此類推。當電流方向相反時，磁場方向也會相反，例如電流由A1進A2出時磁場方向指向A1，若由A2進A1出時磁場方向則指向A2。最後，可以發現定子之磁場方向由A1->B2->C1->A2->B1->C2->A1，磁場方向繞著定子不斷旋轉，產生了一個會旋轉的磁場，稱為"旋轉磁場"。因為轉子的永久磁鐵有一個固定磁場，轉子則有一個旋轉磁場，因此會帶動位於轉軸上的定子，馬達就會旋轉了，如圖3所示。 圖3 旋轉磁場示意圖[3]         因為沒有電刷所以又稱無刷直流馬達(Brushless DC motor, BLDC)，可以發現馬達完全沒有機械性配件，所以除了轉軸壞掉與過熱外，馬達本身幾乎不會故障。這種利用旋轉磁場轉動馬達的驅動形式已經有很多不同種類的產品，例如永磁同步馬達(PMSM)、高轉速的主軸馬達等。 reference： [1]  http://faculty.stust.edu.tw/~liusir/Ch05/05-02-Motor.htm [2 ] https://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi03