無刷馬達驅動技術介紹－robot 機器人

一、序論
電動機（Electric motor）又稱為馬達或電動馬達，是將電能轉化為機械能，並再利用機械能來產生動能，用以驅動其他裝置的電氣設備，馬達的種類非常多，大致可分為交流（AC）馬達與直流（DC）馬達，其主要的差異點便是所使用的電能來源一個是使用交流電源，而另一個是使用直流電源，直流馬達的好處是控制上相當的簡單，只要控制電壓大小便可以控制轉速，但由於馬達中須使用碳刷作為電流變換器，所以需要定期去清理碳刷，而且碳刷的使用壽命有限，無碳刷之馬達稱為無刷馬達，相對於有刷，無刷馬達因為少了碳刷與軸的摩擦因此較省電也比較安靜，使用壽命也較有刷馬達長，但其製作難度較高、價格也較高，在控制上也較為複雜，本文將要為各位介紹無刷馬達的驅動控制技術。

二、直流無刷馬達簡介
無刷馬達將傳統有刷馬達的整流部份（電刷），從機械機構改換成電子式的設計，保留了傳統有刷馬達的特性，一般而言，無刷馬達可分為外轉子無刷馬達與內轉子無刷馬達，常見的外轉子無刷馬達為電腦散熱風扇，而內轉子無刷馬達外觀看起來就與一般有刷馬達無異。
圖一為內轉子無刷馬達示意圖，馬達之轉子由永久磁鐵構成，電樞位於定子上，因此可以不需要電刷傳導電流。無刷馬達可依定子繞線分類，分為二相、三相、五相等…其中以三相無刷馬達較為常見，圖二為三相（定子上的三個繞組各相差120）無刷馬達繞線示意圖，在驅動有刷馬達時我們只要將正負電源接上馬達即可讓馬達轉動，但是無刷馬達在驅動上必須要有一個控制器做為電子式的電刷切換輸入電流的方向來驅動馬達，以圖一的三相無刷馬達為例，若將A接點輸入正電，C接點為負電，無刷馬達轉子就會被磁力吸引旋轉，詳細的驅動說明在下一個章節。
無刷馬達也分為感應式無刷馬達與無感應式無刷馬達，主要的分別在於感應式無刷馬達在馬達內部裝有霍爾元件，用來感測馬達轉子的位置，控制馬達轉動，而無感應式無刷馬達其內部則無霍爾元件，是採用別種方式來感應馬達轉子位置，控制馬達轉動，

圖一直流無刷馬達剖面圖
資料出處：Microchip Application note AN875

圖二直流無刷馬達繞線示意圖
資料出處：Microchip Application note AN875

三、無刷馬達驅動技術介紹
在上一節提到無刷馬達轉子受到繞組產生的磁力影響而轉動，那要如何用電子式的做法來切換A、B、C三個接點的電源輸入呢？在電路的設計上，要達成開關切換常見的作法是使用雙極性電晶體（BJT）或是金屬-氧化層-半導體-場效電晶體，簡稱金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），在選用MOSFET時尚需注意到其能承受的最高電流是否足以讓無刷馬達運轉，否則MOSFET有燒毀的可能性。圖三為使用三個P-channel MOSFET與N-channel MOSFET所組成的三個半橋電路，將無刷馬達的A、B、C分別接在三個半橋電路的中間，因此，只要送信號將Q1與Q2導通，便可讓A點接正電源，C點接負電源。

圖三無刷馬達驅動電路示意圖
資料出處：Microchip Application note AN899

根據霍爾元件的訊號可將轉子角度由360度分為六個不同的區間。每一個區間為60度，並且在無刷馬達的三相繞組中同時只有二相繞組導通，在不同的區間產生不同的控制訊號合成不同方向性的磁力，藉此帶動無刷馬達，稱之為六步方波驅動法，如圖四所示。

圖四六步方波時序圖
資料出處：icrochip Application note AN875

四、微控制器簡介
綜合前述，驅動無刷馬達轉動的電路尚需要一個微控制器（Micro Control Unit, MCU）來統整整個驅動電路，其至少需要具備六組具脈波寬度調變（Pulse Width Modulation, PWM）並可獨立切換的輸出，以及三個接收霍爾元件的輸入，而在市面上已經有許多晶片廠商針對無刷馬達驅動生產專用晶片，如：Atmel、Freescale、Microchip、STMicroelectrionis等廠商。
Atmel針對無刷馬達控制所生產的專用晶片為ATmega48、ATmega88、ATmega168系列，有六個PWM channel，二十三個I/O，8組10bit的AD轉換器。詳細說明可至http://www.atmel.com參考。
Freescale出產的晶片為MC56F83xx/DSP56xxx系列，用於馬達驅動與變頻控制為一個不錯的選擇。詳細說明可至http://www.freescale.com/參考。
Microchip的晶片則是18Fxx31系列可選用，其具有6-8組可切換輸出的14 bit PWM channel，以及運動回饋模組，與多達9組的AD轉換器，詳細說明可至http://www.microchip.com參考。
STMicroelectrionis則是ST7MC系列晶片，詳細說明可至http://www.st.com/mcu/參考。

五、結論
目前無刷馬達主要的應用大多在遙控航空模型上當做動力來源，但在益智娛樂機器人的使用上並不多，目前市面上用於益智娛樂機器人的伺服機都還是使用有刷馬達做為主要的動力來源，若要將無刷馬達整合至伺服機內要克服的最大問題為驅動器體積，市面上用於航空模型的無刷馬達驅動器體積都不算小，其主要原因為要承受大電流所以需要大功率的MOSFET，若要將無刷馬達整合至伺服機內，在MOSFET的能承受的最大電流與封裝尺寸的挑選上以及散熱的處理都要做詳細的研究。

精密機械研究發展中心吉剛儀2009.08.05

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