降低系統成本/故障率 無感測器馬達設計抬頭

作者: 蘇宇庭
2014 年 07 月 23 日

無感測器馬達應用將大受歡迎。為感應無刷直流馬達(BLDC)及永磁同步馬達(PMSM)轉子位置,馬達系統須置入磁性感測器,以將轉子位置資訊回授給控制器並輸出相應訊號,從而驅動馬達運轉。這種設計方式雖然簡易,但故障率高,因此為降低感測器及相關線材成本,並延長馬達使用壽命,無感測器馬達設計已日益受到重視。



新唐科技馬達行銷處處長李新洲表示,馬達開發商為了降低製造成本和維護成本,對無感測器BLDC/PMSM方案的需求日益提升。



新唐科技馬達行銷處處長李新洲表示,目前BLDC及PMSM的運作方式可分為霍爾效應感測器(Hall Effect Sensor)或無感測器(Sensor-less)方案;無感測器方案對於微控制器(MCU)規格要求較高,過去不廣為所用;不過近年來,馬達開發商為了降低製造和維護成本,對無感測器BLDC/PMSM方案的需求已逐漸攀升。


事實上,霍爾感測器是根據霍爾效應製作的一種磁場感測器,能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數,其廣泛應用於工業自動化技術、檢測技術等方面。在BLDC及PMSM馬達中,霍爾感測器的任務則是為了感應隸屬於磁性元件的轉子位置,並將位置參數回報到MCU,再由MCU依據轉子位置輸出相對應的控制訊號,驅動馬達運轉。


李新洲指出,透過霍爾感測器感應轉子位置,進而驅動馬達運轉,雖然系統設計較為簡易,但缺點是返修率較高。他進一步解釋,由於霍爾感測器緊臨不斷移動、旋轉的轉子旁,長期以往元件本身難免受損,當霍爾感測器故障時,將牽一髮而動全身,馬達也就無法正常運轉。另一方面,某些馬達的機構設計,本就不適合放置霍爾感測器,如空調系統、洗衣機或冰箱都必須將馬達密閉安裝於壓縮機內,將限制霍爾感測器的應用。


相反地,無感測器方案則能省去額外的機械元件及感測器線路,不僅降低物料成本並提升可靠性,更能減低因霍爾感測器磨損而導致馬達故障的機率。


李新洲表示,無感測器方案的原理是透過偵測反電動勢(Back-Electromotive Force, Back-EMF)電壓差,來獲取轉子位置資訊。反電動勢取決於轉子角速度、轉子磁體產生的磁場和定子繞組的匝數,因此無感測器設計方案的MCU,須含有數位類比轉換器(ADC)、比較器等元件,如此MCU的演算法才能分析轉子反電動勢波形,進而輸出控制訊號。


依照產品應用需求,馬達可選擇以方波、弦波控制,以及有感測器及無感測器設計,因此MCU可粗分為四種類型,分別為方波霍爾感測器方案、方波無感測器方案、弦波霍爾感測器方案、弦波無感測器方案。


值得注意的是,為了同時符合有感測器及無感測方案的應用需求,MCU廠商也開始推出雙模方案。李新洲表示,如此一來,即使位處前鋒的霍爾感測器故障,MCU也能立即啟動演算法分析反電動勢電壓差,取得轉子位置參數,讓馬達照常運轉。

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