馬達
五大控制設計滿足消費需求 家電馬達重省電/靜音/安全
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)。
圖1 使用ACIM與PWM的家電
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。
圖2 馬達往更高的產品功能安全設計方向發展
(本文作者為Microchip高效能微控制器部門行銷經理)
英飛凌推出車用馬達控制IC 實現高整合性
英飛凌科技股份有限公司(Infineon)推出全新馬達系統IC系列產品,專為控制有刷及無刷馬達所設計。本系列IC是全球第一款驅動MOSFET用的複合半橋驅動器,並具備整合式電源及通訊介面。
英飛凌車體動力部門副總裁暨總經理Andreas Doll表示,藉由我們高度整合的馬達系統IC,系統設計人員所需的主機板空間比現有解決方案縮小了一半,同時仍可自選所需的微控制器。此外,我們也實作獲得專利的可適性MOSFET驅動器,協助強化電磁相容性,並減少系統的切換損耗。這項控制演算法可自動調整閘極電流,藉此補償系統中的MOSFET參數散布。
在整合性方面,新型馬達系統IC讓英飛凌現有的馬達控制IC產品組合更加完備,從獨立式解決方案乃至於包含ARM處理器的高度整合嵌入式電源產品等。新款產品系列共有七種版本,全部採用VQFN-48封裝(7x7mm)。
裝置最多配備四個半橋驅動器,用於驅動外部N通道MOSFET。整合式線性穩壓器可供應5V電壓至250mA輸出電流的能力。至於在通訊方面,則包含一個符合ISO 11898-2:2016規範的5Mbit/s的CAN-FD收發器,及符合2.2A/ISO 17987-4和SAE J2602規範的LIN收發器。
意法攜手maxon開發機器人及自動化馬達控制解決方案
意法半導體(ST)正與世界精密馬達製造商、ST合作夥伴計畫成員maxon合作,以加速機器人應用和工業伺服驅動器的研發週期。
maxon motor工業自動化業務拓展負責人Felix Herger表示,該公司馬達以高品質、高精度和高準確度贏得客戶的信賴,雙方合作開發出一個讓更多的產品設計師更輕鬆利用這些產品特質的開發平台。
EVALKIT-ROBOT-1是一個隨插即用的馬達控制解決方案,旨在幫助使用者輕鬆進入伺服驅動器和機器人精準定位,以及高階動作控制領域。套件中包含一個內建1024脈衝增量編碼器的maxon 100w無刷直流馬達。該馬達提供maxon在馬達電磁設計方面的專業知識,具有優異的平穩性和平衡性,即使轉子在低轉速時也可以精確控制馬達。
意法半導體動作控制產品行銷經理Branimir Ivetic則表示,設計具有精確定位功能的高階動作控制器既複雜又耗時,還需要專業技能。透過與maxon合作,將這些技能全部整合成一個套件並提供給客戶。EVALKIT-ROBOT-1套件可加速下一代機器人和工業自動化系統的開發,其具備先進功能和彈性,以及出色的可靠性和易用性。
在套件提供的伺服控制板上具備意法半導體的STSPIN32F0A智慧三相馬達控制器和完整的逆變器功率級。逆變器功率級採用意法半導體功率電晶體,可以連接馬達。套件還包括馬達控制韌體,使用者可以輕鬆啟動馬達並發送指令。
威健結合四大原廠應用技術舉辦馬達控制研討會
馬達應用越來越廣泛,工業自動化、無人機、新能源車、風力發電等,無所不在的馬達,為現代生活提供了最重要的動力。各種馬達相關的挑戰亦接踵而來,隨著智慧化世代的來臨,馬達扮演的角色將越來越重要,其控制不僅要求更精準、即時,還必須加入大量創新設計以達到節能的效果。
但在馬達本體創新進展相對緩慢的情況下,如何用更先進的驅動控制技術來驅動馬達,提升能源效率,將是馬達產業鏈未來必須面對的課題。
威健將於8月6日於台中集合旗下Lattice、Microchip、Infineon及Vishay四大產品線,深入剖析全方位的馬達控制解決方案。現場特別準備多元的展示板,希望帶給國內馬達產業不同視野,深入了解馬達控制以建構的未來藍圖。研討會聯絡人:威健實業股份有限公司行銷企劃部Jenny:(02)2659 0202 #736
半導體業購併不停歇 英飛凌將砸90億歐元買Cypress
半導體產業再掀購併風,繼恩智浦(NXP)日前以17.6億美元收購Marvell藍牙/WiFi業務後,英飛凌(Infineon)近日也宣布將以90億歐元買下賽普拉斯半導體(Cypress),藉此拓展在汽車、工業和物聯網等高速成長市場的市場潛力,進而強化並加速其盈利性成長。據英飛凌透露,雙方整合後的營運目標為:營收成長9%以上,營業利潤率19%,投資銷售比13%。
英飛凌執行長Reinhard Ploss表示,計畫收購賽普拉斯是英飛凌戰略發展具里程碑意義的一步,將會強化並提升該公司盈利成長的速度,將業務擴展至更廣泛的層面。透過此交易,英飛凌將能為客戶提供更全面的產品組合,連接現實與數位世界,在汽車、工業和物聯網領域開拓新的成長潛力。
據悉,購併賽普拉斯之後,英飛凌將會強化推動結構性成長的核心,並將公司技術應用至更廣泛的領域。這將加速強化英飛凌近年盈利成長的基礎。賽普拉斯擁有包括微控制器、軟體和連接元件等具差異化的產品組合,可與該公司旗下功率半導體、感測器和安全解決方案互補,結合雙方的技術優勢將能為電動馬達、電池供電裝置和電源供應器等高成長應用領域提供更全面先進的解決方案。
同時,英飛凌也計畫將其安全專長結合賽普拉斯的連接技術,以便更快速的進入工業、消費市場等全新物聯網應用領域;而在汽車半導體方面,則可將微控制器和NOR快閃記憶體的擴大組合,滿足先進駕駛輔助系統、汽車電子架構上等應用。
英飛凌指出,透過賽普拉斯強大的研發能力和在美國市場的據點,英飛凌不僅能加強為北美當地重要客戶提供的服務和產品,同時也能提升在其他重要區域的實力,該公司將在矽谷取得研發部門,並在戰略重點市場日本擴大布局和市場份額。
賽普拉斯總裁兼執行長Hassane El-Khoury認為,雙方結合將能提供更安全、無縫的連接,以及更完整的硬體和軟體解決方案和產品,加強客戶的產品和技術,為終端市場提供更好的服務。