直流無刷馬達控制器成節能焦點

各國皆針對馬達電機及照明這2大類有關的產品提列了改善計畫。

節能減碳的議題在國際舞台中不斷的被提出，其目的就是為了 防止環境污染繼續惡化、改善氣候劇烈變動、及在地球有限資源情況下訂定條款並相互約束。節能減碳就一般人的認知就是隨手關閉電源，或是搭乘大眾捷運系統減少資源的浪費，及資源回收再利用等。卻不知除了這些以外，還有另一個根本問題，就是如何提高能源效率。美國 EPRI曾指出全球馬達電機所耗費的金額1年高達95萬億美元，佔了所有電力51%。其次是照明19% 、冷卻？供暖16% 、 IT14%。

無論是工業、家庭、商業用電，馬達所消耗的能源都佔有很高的比例。以台灣2007年的工業用電為1,172億度為例，馬達用電約820億度，佔了全體用電的70%。如果改善馬達系統的輸入、輸出功率比，就可以提高用電效率。所以各國皆針對馬達電機及照明這2大類有關的產品提列了改善計畫。

家庭用電大約可分為電源轉換輸出(燈、電視...)及馬達驅動(冰箱、洗衣機、冷氣、風扇、吸塵器..)這2大類，其中馬達驅動類所消耗的電力佔家庭用電的7成。依工研院能源所指出，就台灣而言，若1組馬達效率提升10%，1年約可省下100億度的電量，相當1座中大型核能發電廠所發的電量。若再以全球1年的發電量約為20兆度來計算，可以節省2兆度的用電量，這個驚人的數字等同於200座中大型核能發電廠的電量。且在能源法規及環保議題帶動下，產業、產品升級已是維持經濟持續生長之必要條件。

現今家用產品的驅動馬達為交流馬達、直流馬達2類型。 直流馬達又分為直流有刷及無刷馬達。由於材料科學的進步，近年來直流無刷馬達(BLDC 或 PMSM)的研發及生產有相當突破。直流無刷馬達具有安靜、無噪音、免保養、壽命長、體積小的特性及優點；尤其高效率的輸入輸出比，對節能及環保的優異表現更引起了全球產業界的重視。

直流無刷馬達在技術層次上及進入門檻的要求都比其它馬達(如交流、直流有刷)來得高，因此擁有較高的附加價值；同時在面臨能源缺乏及環保要求雙重壓力下，高效率環保產品自然成了追求的目標，而直流無刷馬達正是這些產品的主要驅動元氣件，採用直流無刷馬達設計的產品立即符合以上要求。

直流無刷馬達控制驅動上可採多種控制系統演算法，如方波驅動( Srapezoidal Control ) 、磁通正弦PWM..等。其中磁通正弦備受業界囑目。

磁通正弦PWM

僅依賴3個霍爾元件是無法順利產生正弦波相電流控制信號，必須整合高解析度的位置編碼器來輔助霍爾元件，以取得更精確的位置資訊，如此方能產生所需的正弦波。但位置編碼器的高成本卻不是一般應用所能接受的，空間向量調變因應而生。

空間向量調變PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，用控制器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定控制器的開關，形成PWM波形。此法從無刷馬達的角度出發，把控制器和馬達看作一個整體，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制，使直流無刷馬達獲得幅值恆定的圓形磁場(正弦磁通)。

具體方法又分為磁通開環式和磁通閉環式。磁通開環法用2個非零向量和1個零向量合成1個等效的電壓向量，若採樣時間足夠，可合成任意電壓向量。此法輸出電壓比正弦波調製時提高15%，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環式引入磁通反饋，控製磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通後，根據誤差決定產生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環法的不足，解決了直流無刷馬達低速時，定子電阻影響大的問題，減小了馬達的震動和噪音。

在快捷半導體產品中，有一系列無刷馬達應用參考電路。其中控制單元 ( Motor Control IC )─FCM8201/02具備方波？弦波2種驅動方式可依不同產品用途擇一使用及多種保護功能，有別於一般控制單元需要軟體撰寫的能力方能設計使用，降低開發技術門檻，並可大幅的縮短廠商產品開發量產時程。其它如SPM-Smart Power Module(IGBT/MOSFET、HVIC)、PFC、電源管理IC等，快捷半導體皆可快速提供完整的方案。

在不同的應用場合及產品中，方波驅動具有低切換損失以及不需要精確的轉子回授等優點。但隨之而來的是轉矩漣波較大，較適用在大能量輸出場合，產品如：載具、幫浦、工具機、工業用風扇及戶外型產品。

弦波驅動無刷馬達有運轉平順及無震動、無噪音的優勢，產品如：吸塵器、空調、冰箱、洗衣機、洗碗機、家用風扇、抽油煙機...等家用產品。

家用風扇
 
無葉風扇、空氣循環扇、一般家用立扇、吊扇...訴求要點是室內空氣循環，搭配空調增加效率、自然風、靜音...已經跳脫過往直吹人體的觀念，追求更加舒適的生活。以往交流馬達要達到相同的功能及效率需要付出額外的控制線路及馬達材料、體積提升，因此成本結構會大幅增加。直流無刷馬達在具備效率及生產優勢上，且具有控制單元很容易將智慧功能加入以達到舒適的家居生活。

為了避免通過的電流量不堪負荷，造成芯片的損壞，並有更好的保護功能，FCM82XX系列內置OCP(Over Current Protection)的設計迴路。目的是讓過電流的情況下，芯片還能夠受到完整的保護。

段標：過電流保護
 

第1階段稱過載電流保護(Over-load Current Protection) ，保護動作的門檻電壓(VOCP_OL)為1.4V。第2階段為 PWM 每1週期的電流保護(Cycle-by-cycle Current Protection)，保護動作的門檻電壓(VOCP_CYC)為 1.5V。最後階段則是短路電流保護(Short Circuit Current Protection)，保護動作的門檻電壓(VOCP_SH)為 2.5V。

在這個電力缺乏與環保意識抬頭的年代，降低核能發電已是所有人共同努力的目標，對於高效能馬達驅動的需求也逐漸被社會大眾所接受，當然馬達控制芯片的設計要求也越來越高。比如，BLDC或PMSM馬達的無感測器、霍爾感測器？不具感應器、高階馬達驅動器的無感測器與PFC，都是未來的發展趨勢。提供完整的設計方案與模擬軟體，除了可以簡化開發的時程，並能將馬達驅動達到最佳化的效率，才能有效的縮短產品上市的週期。(本文作者：簡文烯、陳金龍)