进阶马达类型

AC感应(ACI)马达适合多种高效能应用，包括家电用品、帮浦、风扇及压缩器 (亦即冰箱与HVAC系统)等。 ACI马达的运作为非同步方式，因为马达的内部定子与转子受到变化的电流所控制，而以不同的速度转动，可提供绝佳的速度与转矩控制，本身相当稳定、高速且符合成本效益。 ACI的主要缺点是需要复杂的回授及控制机制，才能在变速及低速下维持效率。

无刷DC(BLDC)马达的运作为同步方式，以变化的电流控制定子磁通，并且以永磁线圈或电流馈入线圈使转子磁通保持恒定。同步控制能够提供高定精度及较佳的电源效率(例如透过磁体的既有磁通，仅需要较少电流即可驱动马达)。 BLDC 马达可透过一定数量的状态控制位置(见图一)，支援的状态愈多，便能够愈准确地控制位置，但也意味着需要更复杂的处理。BLDC是成长速度最快的马达类型之一，能够在中高转矩下进行高效率且稳定的运作，达到高功率密度，并且适用于自动化、推进、高精度及家电用品等易燃的应用环境。由于BLDC采用简易的整流技术，因此系统较不复杂、重量较轻、体积尺寸较小、较符合成本效益，而且能够在变速及低速下发挥绝佳效能。

BLDC 马达 (六段式梯形状态)

控制简便

整流转矩涟波

低速适用

有杂讯

分散式绕组不适用

并非有效的低转速

成本低

《图一 无刷DC (BLDC) 马达透过一定数量的状态降低控制复杂度。》

永磁同步马达 (PMSM)采「连续」方式控制 (见图二)，因此PMSM可达到低杂讯的运作，并产生整流的最低程度转矩涟波，而且能够搭配低成本分散式绕组使用。此类马达支援较高上限的可达速度以及较高的效率与转矩，相当适合需要精确定位控制、极高速及/或推进、高精度自动化(机器人) 与混合动力车等高转矩的各项应用。

PMSM 马达

控制较复杂 (连续 3Ph 正弦波)

无整流转矩涟波

可达速限较高

低杂讯

低成本分散式绕组适用

高效率、高转速

成本高

《图二 永磁同步马达采「连续」方式控制，适合需要精确定位控制、极高速及/或高转矩的各项应用。》

智慧型控制机制

对于如何控制各种类型的马达，开发人员有许多选项，端视马达需要发挥效率(亦即低/高速、高转矩)的运作范围及所需的精度(亦即位置、速度、转矩) 而定。各个控制机制能够达到成本、电源效率、精准度及效能四者均衡的效用。

简单纯量控制 (Simple scalar control，亦称为V/f或每赫兹伏特) 是常用于驱动ACI马达的方法，实作简易，而且处理需求也低。经由改变驱动马达所用的正弦波频率，即可控制速度，并完全不会影响控制电流或转矩的最佳化。然而，简单纯量控制在低速或高速时的转矩不佳，动态效能不尽理想，对于变化的反应则显得迟缓，而且由于过冲而超出设定点，低速运作时，内部功率的损耗相当高。

定向控制(Field-Oriented Control，FOC) 也称为向量控制，是比简单纯量控制更加智慧的控制机制，虽然复杂度较高，不过能够达​​到更实质的成本效益、电源效率及更高的精度与效能。 FOC能够有效地控制ACI及 PMSM 马达所有的转矩与速度 (见图三)。不仅能够在大幅减少转矩涟波时增加起始转矩，且也能在所有速度下支援最大转矩。由于面对变化的反应相当快，而且能够在满载时维持零速，因此在马达的各种速度下均维持稳定效能。由于FOC 是以电流控制，开发人员得以针对特定应用使电源转换器电路及马达尺寸达到最佳化。

《图三 定向控制 (FOC) 能够完全控制各种转矩及速度，同时能够迅速反应设定点或负载中出现的变化。》

梯形及正弦曲线控制是BLDC马达控制的两种主要选择。梯形控制本身相当简易且符合成本效益，因此长久以来一直受到采用。不过，为了达到更平顺的运作、更良好的转矩回应，以及更低的电气杂讯，许多开发人员逐渐改采正弦曲线控制，其可达到效能及效率的绝佳表现，而且能够搭配分散式绕组使用，同时在高速下发挥更佳的控制效果，如此让OEM厂商能够设计出与众不同的系统。例如,梯形控制的高 BMI 会使得马达系统不稳定,而导致效能大幅降低,并发出可听见的噪音。

回授

使用回授回路来调节速度、位置/角度、电流、磁通及转矩，能够使进阶控制机制提升部份效能，不过复杂度也随之增加。 FOC 需要测量转子与定子之间的速度及角度。梯形及正弦曲线控制则需要测量速度、位置及电流。

开发人员能够使用感测器或运用无感测器的方法实作回授。对于采用 ACI 马达的应用，可使用测速器直接测量速度。 PMSM 型设计可使用编码器或解析计追踪位置，同时测量一段时间的位置变化以计算速度。高精度系统通常需要感测器，即便确实会增加系统成本及元件。

另外，无感测器方法根据滑动模式及模型参考适应性系统(MRAS) 之类的「状态观测器」进行的即时电流及电压测量，来模拟(亦即估计) 马达的速度及角度，虽然电流及电压感测器的成本低于位置感测器(使用单一DC分流便能以低成本且稳定的方式测量电流)，不过系统微控制器需要一些MIPS才能实作数学马达模型。

整合式马达控制

系统单晶片整合的电流趋势会改变开发人员运用马达控制的方式。价格不到2美元却能够实作智慧型控制机制的MCU，对于许多低成本的应用而言，确实能够达到绝佳的效能、效率及精度。

加速开发

若要将开发时间缩至最短，需要能够加速设计及除错的硬体及软体。例如，通用硬体平台能够使开发人员调整设计，重复使用从简单马达应用到高阶高精度应用的软体。具有广泛马达控制程式库的视觉化开发工具也更加提升平台的价值，因此开发人员能够针对特定应用迅速调整既有架构，以发挥更高的效用 (见图四)。

《图四 可视化开发工具能够让开发人员针对特定应用，迅速地调整既有架构，以发挥更高的效用。此处显示双重无传感器FOC型PMSM系统的增量式建置。开发人员此时可验证与目标装置无关的模块、负载周期及PWM更新。仿真马达运作的能力也让开发人员能够在未连接马达时验证PWM运作，以避免运作意外中止。》

开发人员通常可使用定点MCU，但仅需手动处理数学精度及解析度的程序，降低系统成本。使用TI的IQMath等程式库将演算法抽离，演算法程式码便可用于各种 MCU以及各种应用程式、控制机制与马达类型。抽离也可简化与协力厂商马达控制软体及开发平台(亦即Mathworks的Embedded Target及Visual Solutions的VisSim)的整合、促进程式码的重复使用，并且使得程式码能够来回使用于浮点及定点MCU 。

针对马达控制应用特别设计的高度整合式MCU，不仅能够使开发人员降低既有系统的成本，亦能运用更加智慧的控制机制提升系统效能、精度及效率。了解不同的马达类型以及可用的控制方法，开发人员即可选择适当的方法和控制智慧层级来建立稳定的系统，达到可任意调整、支援众多加值功能以及运用程式码，以达到长期投资的效益。