FOC運算法節省大量電能
大幅降低馬達與壓縮機功耗仍是目前電器設計最重要的趨勢，而美國環境保護局(EPA)所推動的能源之星計畫，是此趨勢的主要推力。此一計畫評級不同各類型產品，並給予認證標籤，保證該設備在運行時每年的最高消耗能量(kWh)，其中Energy Star為效能最高評級，經過多年推廣，目前這已是多數消費性產品的必備規格，而除了Energy Star之外，多數國家的相關單位也有類似評級系統。
就設計趨勢來看，目前初階家電的通常為交流感應馬達(ACIM)，這類型的馬達多以變頻器(VFD)進行簡單控制。在此技術中，馬達採用三相正弦波作為繞組供電，透過改變脈衝寬度調變(PWM)工作週期控制馬達，並以工作週期變化率設定電壓與頻率(圖1)。
對變頻器來說，只要負載不變，就可透過恆定的電壓與頻率比率提供恆定轉矩，不過配備變頻器的交流感應馬達，其響應變化的負載與速度需求較慢，導致其效能不佳。例如洗衣機通常使用交流感應馬達，當濕衣服在滾筒中翻動，或是滾筒在攪拌循環期間變速時，交流感應馬達對可負載變化的響應往往較慢。要解決此一問題、提升效率最直接的方式，是更換設備的馬達類型，目前高階設備已開始採用新型態馬達的永磁同步馬達(PMSM)，此一類型馬達的控制性更佳，但製造成本也更高。
相較於感應馬達的轉子需要使用額外電能維持繞線線圈磁場，PMSM則是在轉子中採用永磁體，因此功耗更低，在控制演算法方面，則可使用經改善過的磁場定向控制(FOC)，當馬達在更寬負載與更高速度中運作時，FOC可精準控制使用能量。在控制器部分，PMSM可使用數位訊號控制器，例如Microchip的dsPIC33EV系列，可協助提升馬達效能，同時降低運轉時的噪音。
此外使用以FOC運算法的PMSM也可以節省大量電能。例如冰箱壓縮機所使用的馬達轉速極低，1分鐘僅有800轉，轉速設計如此之低的原因，是為了降低冷卻液泵的速度，讓冰箱保持冰冷，改用FOC運算法PMSM的冰箱，其使用功率降低約30%，提升此電器能源之星的等級。而根據其他研究數據，在電能轉換為轉矩部分，PMSM則可達到90%的效率。
弱磁控制提高轉速
相較於冰箱壓縮機的低轉速，其他電器像是電鑽、空調系統、排風扇等，需要高速馬達的家電便可以使用弱磁控制(Field-weakening)技術大幅提升馬達轉速。此技術是以轉子磁體遇到定子繞組電壓場，以抵銷轉子磁體中部分磁場的方式充電。當轉子對準繞組中的磁體時，將產生降低馬達的轉向阻力，這種電阻稱為反電磁力(BEMF)。透過弱磁降低反電磁力，可將馬達的最高速度從25%提高到100%，進而降低該時間點的轉矩需求。由於多數電器在高速度運作下，並不需要全轉矩，因此弱磁控制可有效提升其馬達的最高速度，達到強化運作效率的目的。
高速切換MOSFET降噪音
家電馬達控制的第三個主要趨勢是最小化噪音，多數人早已厭倦廚房家電不時傳來的嗡嗡聲。電器馬達會產生噪音有多種原因，包括電源電壓忽然下降、負載或轉矩需求突然變化導致轉子位置產生偏移，或是PWM訊號時間未與轉子位置對準，這些狀況都有可能導致轉子振動並產生噪音。
不過馬達噪音的主要來源，是接通和斷開金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(IGBT)時所產生，這兩者是馬達繞組傳輸電源的大型電晶體。每當馬達啟動或關閉時，繞組中電流的突然變化抖動，都會推擠周圍空氣(與揚聲器的操作方式相同)，進而產生可察覺的聲響，只要有3個馬達繞組，每秒有數千次相同動作，就會產生正常人類聽覺範圍(20~20,000Hz)的馬達嗡嗡聲。
所幸現在已有降低噪音的解決方案，而這些解決方案的效率取決於成本，而其關鍵做法都是以更高頻率切換MOSFET，並擴展PWM。雖然所有馬達控制演算法都可使用20KHz或更高的PWM頻率，以確保噪音頻率在人耳的可聽範圍之外，但由於成本因素，內含MOSFET封裝的IPM(整合功率模組)，在較慢的頻率下，其售價更低，因此許多家電仍然採用以更低頻率(通常在5~8KHz)開關馬達的MOSFET。
另一種降低噪音的技術是展頻。此技術是使用隨機亂數發生器改變PWM頻率，這種技術雖然速度不一，不過不會改變PWM頻率，將此抖動加入PWM頻率中時，其噪音訊號將會變小且顯著降低。
高頻注入加速馬達
家電馬達在啟動與低轉速時，必須確定馬達內的轉子位置與定子對比。主要原因有二，首先是空調機組中泵浦與壓縮機之類的設備，馬達無法倒轉，即便只是輕微錯轉，仍會損壞泵浦。其次是鑽頭、食品加工機、洗衣機和風扇等應用，為盡快達到全速運轉，在設備啟動時，就必須得到全轉矩動力。
然而與FOC搭配使用的反饋電路(測器/觀測器)，無法在零速或低速下運作。FOC被稱為無感測器技術，這代表無法從霍爾感測器、磁性位置感測器或光學軸編碼器提供轉子位置，因此FOC演算法會從3個馬達繞組取得電流回饋。但馬達開始運轉時，由於轉速仍慢，反饋電路難以產生良好讀數，等到足夠的轉速(例如50 PRM)並獲得良好電流反饋後，控制迴路就會閉合且FOC開始正常運作。
而為了在馬達啟動或低速時檢測轉子位置，目前已開發出使用高頻注入(HFI)的技術。在此技術中，轉子中的3個繞組會使用高頻PWM訊號逐一逐次通電，並且測量電流反饋訊號。比較3組測量值後，就可精準定位轉子，並應用正確的PWM訊號，在泵浦和壓縮機以正確方向啟動轉子讓馬達加速。
另一項新技術是Wind-milling，透過Wind-milling重新啟動正處於慣性運轉的馬達，可匹配當下的位置與速度，讓馬達在穩定非晃動狀態下重啟，進而降低噪音並提升馬達耐用性。此外也可以FOC最大化轉矩的方式控制馬達，此技術稱為每安培最大轉矩(MTPA)，允許馬達在恆轉矩階段，閉環轉換後加快轉速。MTPA可讓洗衣機的滾筒高速旋轉，強化其脫水能力，無人機馬達可在300ms之內，讓轉速從0 RPM到30,000RPM，加快起飛速度。
MCU內建安全功能
安全性向來是馬達控制領域非常重要的設計考量，在產業中也一直往更高的產品功能安全設計方向發展(圖2)，而這也代表電子零組件，也就是控制馬達的微控制器(MCU)與數位訊號處理器(DSP)，需要內建符合產業規範的安全功能。像是IEC 60730B，此一規範要求在馬達啟動時，關閉MCU與DSP的PWM預設狀態，以防止馬達在啟動時產生任何瞬態故障。而未來，馬達控制設計工程師也希望拿到安全使用手冊，以協助他們了解並使用MCU或DSP中內建的所有馬達控制安全功能，這將帶來更安全的馬達驅動家電，也會讓所有消費者受益。
(本文作者為Microchip高效能微控制器部門行銷經理)
