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      無刷電機控制采用的六步方波與弦波驅動的差異有哪些?

      2020-04-27

      無刷電機控制采用的六步方波與弦波驅動的差異有哪些?

          六步方波(Six Step Square Wave)與弦波(Sine Wave)驅動是無刷電機兩大驅動方式,各有其優缺點與需求規格,這些差異會導致同一電機與驅動器,采用不同驅動方式,所獲得的電機動態響應、轉矩、加速度、振動、噪音及轉速都有所不同。下面從輸入電能、開關元件、微控制器(MCU)以及電機特性四種方向來探討其差異性與造成的原因。

      輸入電能

          電能功率(Power)是電壓(Voltage)與電流(Current)的乘積(P=Vi),若將電壓及電流值繪于圖面上,則兩者交疊的面積就是電能功率,面積越大則能量越大。電機由電能輸入轉換為動能輸出的裝置,在無不良的飽和設計情況下,則輸入電能越多則輸出的動能也就越大。

      電機

          六步方波與弦波驅動其實代表了不同的電流輸入狀態,方波的電流圖形就如同一個長方塊,電源輸入時,電流值瞬間沖到高點,持續一段時間直到電源關閉時,電流才瞬間被切斷。其中六步方波又分為180°與120°兩種,是電機應用中不同的反電動勢周期,其每180°電氣角后會轉換極性,由N極改對應到S極。180°的六步方波代表磁極一開始感應到,則電流同時輸入;而120°則是從磁極開始開始感應后,延持至30度的電氣角后才開始輸入,且只持續開起120°的區間,到電氣角150°時就關閉。弦波則是180°的開始,但輸入的波形是如同一正弦波,需要時間來持續上升到高點,再持續下降,并不如方波瞬間就沖到高點。

          若以面積來進行比較,則180°方波 > 弦波 > 120°方波,其比例關系約為180°方波為100%,弦波約為70%,120°方波為66%。在相同輸入直流電壓的情況下,180°六步方波能輸入較大的電能,而弦波次之,然后則是120°方波。

          另外需要注意的是電流供給情況,方波是盡可能在短時間能就輸入大電流值給電機使用,而弦波則是依照波形比例關系輸入對應電流值;由于電機轉矩變化會正比于電流值,六步方波的轉矩變化較為劇烈且瞬間,能提供出瞬間轉矩值,會造成振動噪音的產生。

      開關元件

          在開關元件上主要有兩種形態的損失,一種為導通損失,只要開關關元件上有電流經過就會產生的損失,其損失能量的大小與通過的電流值及元件內阻有關系。另一種則是為開關切換損失,也就是在每一次開關都會產生的狀態切換損失,因此開關的頻率越高則損失能量越大。

          六步方波若沒有要使用PWM調控電壓時,其驅動開關的切換頻率與電機轉速、磁極數成比例關系,會依電機不同會有差別,但大多落于1000Hz以內。弦波驅動則需要利用開關元件的切換調配出弦波電流。因此,在同樣的全載無調控電壓情況下,弦波驅動除了既有的電機驅動切換頻率外,仍比六步方波多了開關次數來達成弦波效果。這增加的開關次數將會代給弦波驅動額外的損失;因此在開關元件的比較下,六步方波所產生的損失將小于弦波驅動。

          人耳可以接收到20~20kHz之間的頻率聲音,其中約為13kHz附近特別明顯,因此在驅動電機時,建義調整開關元件的切換頻率,盡可能避開人耳接收范圍,則可消除頻率噪音的產生。

      微控制器

          六步方波的驅動控制遠比弦波來的簡單且正確,只需要單純的接收到位置信號后送出相對應的信號輸出,開啟對應的開關元件。無論是采用六組變化信號的Hall Sensor,或是編碼較多的Encoder,甚至是類比信號型的Resolver,都能輕松地處理。微控制器其實不用特別計算,只需要用查表的方式就能輕松進行電機驅動的工作,留下運算容量及處理時間來應付其他需求,如安全裝置或系通所需之控制法則,8 bit的MCU已經可以讓電機運動得很順暢了。

          弦波驅動在使用信號較多的Sensor時也可處理,解析出不錯的弦波控制結果,但搭配Hall Sensor的六組變化信號時,就需要依靠微控制進行估測運算來達到弦波的結果,會大幅增加微控制器的負擔;在進行加減的控制時,也需要導入PID的控制法則來抑制演算誤差,這些都是占掉了MCU的資源,因此,進行弦波驅動的MCU通常會采用24bit以上的規格。

      電機特性

           電機的輸出能量是電場與磁場的交互作用,電能進來的位置是正對磁場作用的位置。180°的方波驅動能輸入較大的電能,若磁場的作用僅有120°的寬度,那也是做白工而已,因此,先觀察電機的反電動勢,電場與磁場相互配合才能產生有效的動能輸出,電機的效率才高。

          振動噪音方面,則弦波驅動其力量的傳導較為平順,不似六步方波有瞬間加速爆沖的動能產生,若在軸承及軸心的抓持力不足的情況下,使用弦波驅動可大幅降低電機側向力的作用,達到降低振動噪音的效果。


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