#數位控制馬達驅動器 #相位電流回授 #電壓源逆變器 #轉矩漣波
#平滑響應 #速度剖面 #定子繞組 #轉子電磁諧波 #齒槽轉矩 #脈寬調變PWM #類比數位轉換器ADC

【從系統宏觀，揪出數位馬達驅動不佳的元凶！】

在所有數位馬達驅動器中，不可或缺的部分就是「相位電流回授」(phase current feedback)，其測量品質與轉矩漣波 (torque ripple) 和轉矩穩定時間等系統參數直接相關。雖然系統性能與相位電流測量之間具有較強的相關性，但很難轉化為對回授系統 (feedback system) 的硬體需求。馬達驅動器或伺服系統中的電流迴路性能，會直接影響馬達的轉矩輸出；對平滑響應 (smooth response) 與準確定位、速度剖面 (speed profiles) 十分關鍵。

平滑轉矩輸出的一個核心基準是「轉矩漣波」，對於直接轉化為終端應用的準確度剖面和分割應用相當重要；響應時間和穩定時間等參數，將左右生產效率直接被「可控制頻寬」影響的自動化應用優劣。馬達驅動器中的轉矩漣波可能來自於：
1. 馬達本身，例如「定子繞組」(stator winding)、插槽配置和轉子電磁諧波的磁卡轉矩所產生的「齒槽轉矩」(cogging torque)；
2. 相位電流回授系統的偏移及增益誤差；
3. 逆變器的停滯時間 (dead time)，在脈寬調變 (PWM) 輸出電壓增加低頻諧波零組件的定子電性頻率，例如，諧波頻率的電流迴路干擾抑制，將影響電流迴路表現。

當一個三相位馬達藉由開關電壓源逆變器來驅動，此相位電流可視為由兩個元件所組成：一個基本元件和一個開關元件。為達控制目的，須去除開關分量，否則會影響電流控制迴路的性能。最常見的抽取平均分量技術是——取樣同步到脈寬調變週期的電流。如果脈寬調變週期的初始及中間電流為平均值、且取樣時間同步，該開關分量可被有效抑制；但若電流取樣存在時間誤差，則將發生混疊 (aliasing)、電流迴路性能會因此下降。

相位電流的基本分量通常在幾十 Hz 範圍內，而電流迴路的頻寬則以 kHz 計算；微小的時間誤差會影響控制性能似乎有悖常理。然而，僅以相位電感限制 di/dt，即使是一個微小的時間誤差都將導致明顯的電流失真。錯誤的取樣時間最常見的原因有：
★在脈寬調變和類比數位轉換器 (ADC) 之間的鏈結不足，使得在正確的時間內取樣變得不可能；
★缺乏足夠的獨立同步取樣保持電路 (可能是兩個或三個，得依被測量的相位數目決定)；
★因脈寬調變時間器所產生的馬達電壓輸出相位之「閘極驅動訊號」傳輸延遲。

通常，任何能影響 di/dt 的事物都會決定錯誤取樣時間的嚴重性，但馬達轉速、負載、馬達阻抗，和直流匯流排電壓等系統參數，也會導致誤差！想要設計用於馬達控制的最佳化回授系統，必須具備系統宏觀，才能辨別誤差源以對症緩解。

延伸閱讀：
《理解馬達驅動器電流迴路非理想效應影響的系統途徑》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/1110/34017.html
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#亞德諾ADI #磁場定向控制器驅動平台FOC

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#智慧工廠 #工業4.0 #中國製造2025 #步進馬達

【步進馬達，在智慧工廠大展身手】

當全世界政府都把眼光放在如何為產業升級與提升生產力時，意謂著既有工業的一切亦必須同步向「數位化」邁進；而「馬達」更在工廠自動化的過程舉足輕重，約可分為直流馬達、交流馬達、伺服馬達及步進馬達幾類。其中，直流馬達、交流馬達雖有較佳的動力輸出；但若要講求控制精度，伺服馬達及步進馬達無疑略勝一籌。尤其是「步進馬達」，由於可依比例追隨脈波訊號轉動，更能達到精確的位置和速度控制，且穩定性佳；而步進馬達的運轉順暢和高能效，是驅動器的設計要素。

步進馬達有全步、半步和微步三個驅動模式。要想控制步進馬達的轉矩和轉速，就必須控制繞組內的電流。傳統馬達轉速轉速受限傳統的電流式控制方法是檢測流經繞組的電流，並將回饋訊號送到控制晶片，然後由控制晶片決定是增加還是降低繞組電流，以取得所需的電流強度。這種控制方法使馬達在寬轉速和寬電源電壓範圍內保持理想轉矩，適用於全步進和半步進馬達驅動，且實現容易。然須留意的是，由於閉環控制電路將電流施加到繞組，反電動勢 (BEMF) 會降低繞組電壓，延長電流達到理想值的時間；因此，反電動勢會限制馬達轉速。

雖然系統無需知道反電動勢值，但是，不重視且不修正這個數值將會導致系統性能降低。因為電源電壓變化導致峰值電流有時波動幅度很大，所以，直到現在，工程師還是儘量避免使用電壓式控制方法。此外，為避免反電動勢隨著馬達轉速增加而升高，智慧電壓式控制系統開始構思如何「補償」的問題，使馬達運轉更順暢、微步解析度更高，符合市場對於高精準度定位和低機械雜訊要求的期待。從事機電工作的你，想必也很關心諸如此類的議題……現在就來看看具體的實現方法及工作原理吧！

延伸閱讀：
《步進馬達數位解決方案》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/0405/31564.html

#意法半導體ST #L6470 #L6480

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