無感應器控制無刷馬達

無感應器的無刷馬達能在許多應用中發揮良效。有許多選項可以實現這種優勢。其中一種由 maxon 開發的方式，正在精準和可靠運行方面樹立全新的標竿。

在驅動無刷馬達時，需要能夠精準換向的控制電子裝置。然而，只有當控制電子裝置隨時都「知道」轉子的位置時，才有可能達到這個要求。一般而言，這個資訊是由內建於馬達中的感應器提供，例如霍爾感應器，但也有其他作法。無感應器的控制方式就能夠利用來自馬達的電流和電壓資訊來確認轉子的位置。然後可以藉由轉子位置變化得到馬達轉速，並使用這個資訊來控制轉速。更高階的無感應器控制方式甚至還可以控制電流（轉矩）和位置。捨棄感應器可帶來多項優勢，例如低成本和節省空間，因為線纜、連接器和敏感的電路都將成為多餘。

maxon 的無感應器控制器根據三個專為 maxon BLDC 馬達設定的基本原理運作。

原理 1：零交叉 EMF 方法

用於檢測零交叉的電動勢 (EMF) 方法在換向期間的未通電相位採用感應電壓（或 EMF）。零交叉發生於換向間隔的中間（圖 1）。至下一個換向點的時間延遲可以透過之前的換向步驟來估計。

只有當轉速夠高時，零交叉 EMF 方法才能發揮作用，因為在靜止時 EMF 會歸零。與步進馬達控制類似，這類馬達必須以特殊流程來啟動，且必須獨立配置。實際的無感應器換向只有在馬達轉速達到 500~1000 rpm 之間和更高時才會發生。換向步進頻率會被用於轉速控制。即使可以透過在控制演算法（觀測器、卡門濾波器）中加入估計法，有限的回饋資訊仍會對於馬達動態表現產生一些限制。零交叉 EMF 方法也有許多優點：它適用於所有無刷馬達機型，低成本且堅固耐用。這種方法被應用於許多標準產品，例如 maxon ESCON Module 50/4 EC-S。

圖 1：零交叉 EMF 方法的無感應器換向示意圖，此處以相位 3 為例。

原理 2：觀測器基底 EMF 方法

觀測器或模型基底 EMF 方法使用馬達電流資訊來確認轉子位置和轉速。模型基底方法可獲得更高的轉子位置解析度，進而實現正弦換相（或是場導向控制），並兼顧所有其優點：高效更高、發熱更低、振動和噪音也更小。然而，觀測器基底 EMF 方法還需要至少 100 rpm 的最低轉速才能良好運作。

原理 3：磁各向異性方法

基於磁各向異性的方法利用馬達的電感來推斷轉子位置，當轉子和定子的磁流平行返回時電感最低（圖 2）。測量方式是利用短暫的電流脈衝，這並不會引起馬達運動。與 EMF 方法不同之處在於，當馬達處於靜止狀態或轉速非常低時，這個方法也能發揮功用，並允許正弦換向。所測量到的信號在很大程度上取決於馬達類型。轉子位置會由一個針對每個馬達類型經過參數化的馬達模型來確認。因此，磁各向異性控制器是非常具針對性的產品，無法提供「隨插即用」的特性。用來估計轉子位置的計算量也限制了最大轉速。

圖 2：電感各向異性的示意圖。此處顯示了在 180 電角度距離中的兩個幾乎完全相同的最小值。

為什麼選擇無感應器控制？

在成本敏感的應用中，使用無感應器馬達有助於降低成本。霍爾感應器、編碼器、連接纜線和連接器都將成為多餘。這個領域的典型應用包括風扇、泵浦、掃描器、碾磨機、鑽孔機，以及其他需要快速轉動但對控制性能要求較低的應用。這類應用不需要嚴密控制啟動速度。若為大批量產品，則建議採用客製化版本的 EMF 控制器。

高控制性能成本優化

節省成本並非是選擇無感應器控制的唯一原因。例如用於門或自行車的驅動模組就需要相當高的控制性能。為了避免產生噪音，除了從轉速 0 rpm 起馬達控制必須完全零跳動之外，高動態靈活性能和正弦換向也都非常重要。所有這些要求都可以在不使用昂貴編碼器的情況下達成。過去幾年來，高品質的各向異性無感應器控制器已在市場上佔有一席之地，其中也包括 maxon 的新型高性能無感應器控制單元 High Performance Sensorless Control（HPSC，見下圖）。然而，調整模型參數所需的工程設計工作只有在訂購量達到數百個的情況下才物有所值。

嚴苛的環境條件

若不希望馬達內裝脆弱的感應器電子設備，無感應器控制技術便可派上用場。例如在非常高溫或低溫的環境裡、醫療科技中的清潔與消毒應用、太空裡的游離輻射、核能設施或是醫療環境中。馬達連接器數量較少，更易於整合到受限的空間內。

所需的控制品質則取決於應用類型。哪一種無感應器方法最適合，必須根據具體情況來決定。例如在牙科領域，手持式鑽頭或打磨機需要高轉速；而在外科領域，例如固定螺絲，則需要較低轉速和受控的轉矩。

結論

選擇無感應器控制的三大理由：節省成本、節省空間，可以在對感應器不友善的環境中作業。對於成本敏感且以高轉速運行的應用，零交叉 EMF 測定法受到廣泛應用。在靜止狀態和低轉速情況下採用無感應器控制，則需要更高階的方法。不僅在實際執行上較為複雜，且牽涉到模型製作和參數設定。節省成本在此處為次要因素。場導向控制效率更高、較不易發熱，且振動和噪音程度均較低。上述所有優勢尤其在手持式醫療儀器中明顯可見。

maxon 無感應器控制器

__高性能無感應器控制器 HPSC Module 24/5 是 maxon 全新開發的產品，是一個結合了硬體和客製化軟體的平臺。HPSC 僅作為客製化解決方案，並非目錄產品。這個新開發產品的特性包括：在靜止狀態和低轉速下運作時，優先使用磁各向異性控制技術（原理 3）。若轉速提高，則會緩和地轉換為使用觀測器基底的 EMF 方法（原理 2）。模組的韌體根據每一套驅動系統需求客製化。在特別的調校過程中，會根據每顆馬達有如人類指紋般獨一無二的特性來自動調整超過 120 個參數。HPSC 的最佳應用範例是 maxon 近期所開發的手持式醫療儀器。

__ESCON Module 50/4 EC-S 是 maxon 唯一一款被列入產品目錄的無感應器控制器（EMF 方法換向和零交叉檢測）。無感應器控制器 Sensorless Controller 24/1 則可供替代最小型的 EC 馬達（直徑約不超過 10 mm）。然而，該控制器並未列入目錄或網路商店中。