三項同步馬達驅動簡介

        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、責任週期為0.3，則輸出電壓為24*0.3 = 7.2V，如此就能控制輸出的電壓，進而控制輸出的電流。

圖2 PWM工作原理[2]

霍爾訊號(Hall signal)

        為了輸入正確的激磁電流產生正確的旋轉磁場，必須要知道馬達轉子磁極之相對位置，常用的方法為使用霍爾感測器。霍爾感測器說是利用霍爾效應所製成的感測器，簡單來說就是測到N極則輸出1、S極輸出0。因為轉子為一個磁性物質，如此就能透過量測轉子磁場來推估轉子的相對位置。

reference:
[1] http://www.digitalwebdirectory.com/bldc-motor-controller-wiring-diagram/
[2] http://archives.sensorsmag.com/articles/0598/pwm0598/