#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

圖檔取材：pixabay.com

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【IoT 連網裝置電流變動大，如何捕獲一閃而過的致命缺失？】

在額定電壓下，物聯網 (IoT) 裝置的模組間工作電流往往得錙銖必較，以「奈米」尺度做計算，才能符合低雜訊、低功耗需求 (P=I x V，功率為電流、電壓乘積)；這意謂裝置在設計上除了減少電流消耗，也要顧及實際應用細節。以無線醫療裝置為例，因電池供電有限，又需透過藍芽與智慧手機配對連結，電量掌握與數值讀取格外重要；確保使用者能如常追蹤生理資訊，供醫師作為診療參考或在數據出現異常時自動上傳。同時，了解電力消耗情況和剩餘電量，知道何時該充電。

電池供電的裝置多會採用電源管理方案來節能，而等待逾時 (wait for timeout) 和休眠、待機的時間點拿捏、裝置的靈活使用效率與電池續航力息息相關。對開發人員來說，利用示波器長時間記錄電流變化，累積時間與電流資料做積分、模擬耗電情境，找出電流波動的峰值極限 (Peak limit) 是關鍵。若運作中的電流超出可輸出的容量太多，裝置的電力很快就會耗盡；而如何分析電流在實際情境下的脈衝、減少超標峰值出現機率、降低充放循環等，都有賴精確量測儀器做輔助。

一般分流器 (Shunt) 搭配資料擷取 (DAQ) 設備是最常見的簡易量測方式，但使用分流器做電流轉換的峰值電壓容易出界，即使是一般直流電源，待測物的暫態電壓亦可能超出範圍；須花費很多心力去選用不同的分流器、長時間記錄，並做編程和數據誤差修正——傳統測試設備大都有固定偏移誤差，會限制電池的電流量測抽載訊號的表現。偏偏 IoT 連網裝置的動態範圍很大，連網瞬間的電流會急升至安培 (A) 等級，休眠時又回落至奈米安培 (nA)……

一般示波器偵測到 100 微安培 (μA) 已是極限，且縱軸電流解析度只有 8～10 位元；加上選擇適當分流以量測到極低電流，並在高電流下耐受負擔電壓幾乎不可能，記錄時間又不夠長，根本不足以應對！於是，直流電源分析儀、電池模擬器、元件電流波形分析儀等改良式量測工具相繼出籠；另為補強電源量測單元 (SMU) 僅能模擬靜態狀況、無法捕捉曇花一現的瞬間波動之憾，可借助「電源供應器」(Power Supply) 動態模擬電池行為，再經由電流—電壓對照表換算電量。

延伸閱讀：
《Keysight：電路設計、工作模式與電池充放循環影響甚鉅》
http://compotechasia.com/a/____/2016/1114/34041.html
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