第三章 無刷直流馬達驅動方法
3.2 BLDCM六步方波控制法
3.2.1 六步方波驅動訊號
由第一章所簡介的永磁式無刷式直流馬達中，其具有梯形波反抗電動勢的永 磁馬達最適合使用六步方波控制法，此控制方法為三相無刷直流達中最基本之驅 動方法，又稱為120o通電控制法，一般常見的系統控制架構如圖1.8所示。
常見六步方波控制法透過數位型霍爾訊號(Hall-sensor)回授轉子位置，做為 換相之判定，數位型的霍爾感測器感應馬達轉子之磁場正負，回授數位訊號給控 制器，若將霍爾感測器安裝在合適的位置上，可產生有效的控制訊號作為換相點 偵測，穩定且有效率的控制無刷馬達運轉。此外透過此數位訊號可進行馬達轉速 估測，提供速度回授做馬達定速度控制。
以圖3.9作為說明，其梯形波永磁式無刷直流馬達之三相反抗電動勢相位分 別相差 ，若將霍爾感測器分別依照電器角度 間隔安裝，其回授之訊號經 過基本邏輯運算後，可得到將一完整的電氣週期切割為六分之換相訊號，故此控 制法稱為六步方波控制法。將馬達依照其換相訊號進行驅動，其馬達可順利啟動 並運轉，其驅動波形如圖3.10所示。觀察此六步方波控制法之換相訊號，其每一 操作區間皆為兩相導通，第三相之相電流為零，稱之為非激發相，由於梯形波磁 場之特性，在固定轉速之下，此導通兩相產生的反抗電動勢為定值，因此可將此 時馬達等效為直流馬達，透過回授其相電流進行定電流控制，即可實現定扭矩、
定轉速之馬達控制。而透過量測非激發相之相電壓，可得到其反抗電動勢大小，
亦可透過偵測此反抗電動勢發展無感測控制演算法[34]-[36]。
120o 120o
0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°
0
0 0
Back emf Phase A
Back emf Phase B
Back emf Phase C
Ea
Eb
Ec
S1
S2 S3 S4
S5 S6
圖 3.9 理想之反抗電動勢與換向訊號波形
S1 S3 S5
S2 S4 S6
Vdc A
B C
S1 S3 S5
S2 S4 S6 Vdc
A B C
S1 S3 S5
S2 S4 S6 Vdc
A B C
S1 S3 S5
S2 S4 S6
Vdc A
BC
S1 S3 S5
S2 S4 S6 Vdc
A BC
S1 S3 S5
S2 S4 S6 Vdc
A BC
圖 3.10 六步方波驅動示意圖
由無刷直流馬達「六步方波電流驅動」的概念，在任一瞬間都只有兩相線圈 會導通，即流經馬達的三相電流與直流鏈電流有一必然的關係存在，故本計劃採 用回授直流鏈電流來作電流控制的方式，以減少電流感測器的額外成本，同時也 簡化控制架構，只要能根據霍爾感測換相訊號進行同步控制，其電流迴路的控制
即如同永磁直流馬達一般。值得注意的是，由於直流鏈電流在穩態時都是維持在 同一流向，並非像相電流般會有流向的改變，即正負號的變化，因此要得到最大 反向扭矩，就必須要根據電流命令去適當改變換相控制的機制。
3.2.2 馬達驅動器之系統方塊圖
明白其換相方式及驅動方法後，接下來討論其電流控制的方式。透過六步方 波控制法驅動馬達時，可將馬達模型等效為直流馬達，透過回授其相電流，設計 電流迴路補償控制器，最終由脈寬調變策略進行電流控制，而速度回授則透過計 算霍爾訊號週期進行速度估測，但除了此控制方式之外，亦可隨著所需之馬達轉 速，調變其變頻器之直流鏈電壓，達到振幅調變控制，進行馬達轉速控制。本文 提出之整合式無刷直流馬達驅動器，作為家用壓縮機之最佳驅動方案，即是以此 法驅動馬達運轉，在需要加減速狀態時，提高直流鏈電壓並進行PWM控制，可 具有較快的動態響應，當馬達進入待機低功率運轉時，則調降直流鏈電壓並使用 PAM控制策略，可將開關切換頻率降至與電器頻率一致，大幅減少開關切換損 失。其PWM及PAM系統方塊圖如圖3.11所示。
85-260 VAC 50/60 Hz
Variable Output
PFC Converter
20 kHz
10-400 (PFC: 50
VDC
-400V) PAM Inverter Cd
PWM Inverter C
110 V 50/60Hz
Vdc
BLDC Motor 150 VD
(a)
(b)
BLDC Motor
圖 3.11 (a)傳統的PWM變頻式驅動器系統方塊圖 (b)新型的VOPFC-PAM變頻 式驅動器的系統方塊圖