建立軟體模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)（Model base design；MBD）已是目前產(chǎn)品開(kāi)發(fā)趨勢(shì)所在，不僅可加速開(kāi)發(fā)速度也可降低開(kāi)發(fā)成本。對(duì)於馬達(dá)開(kāi)發(fā)更是扮演著舉足輕重的角色，馬達(dá)除了電機(jī)本體設(shè)計(jì)之外，連接的驅(qū)動(dòng)方式也是決定馬達(dá)性能的重要因素。

一般常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式可分成弦波驅(qū)動(dòng)與六步方波兩大類，相對(duì)應(yīng)的馬達(dá)反電動(dòng)勢(shì)也有弦波（Sinwave）及梯型波這兩種。藉由Altair公司發(fā)行的電磁分析軟體Flux與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)activate進(jìn)行四種不同搭配的扭力差異分析，可以節(jié)省實(shí)際實(shí)驗(yàn)所需的經(jīng)費(fèi)與時(shí)間。

直流無(wú)刷馬達(dá)與伺服馬達(dá)

直流無(wú)刷馬達(dá)（BLDC）與伺服馬達(dá)（Servo motor）在馬達(dá)本體結(jié)構(gòu)上十分相似，皆是繞線定子加上磁石轉(zhuǎn)子組合，最大的差異在於馬達(dá)反電動(dòng)勢(shì)（back EMF）波形，BLDC為梯型波，而伺服馬達(dá)大多為弦波。

除了馬達(dá)本體上的差異之外，BLDC的轉(zhuǎn)子位置偵測(cè)採(cǎi)用的是霍爾元件（Hall Sensor），對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式為六步方波（six step square wave）驅(qū)動(dòng)且大多為開(kāi)迴路（open loop）控制，常應(yīng)用在風(fēng)扇等領(lǐng)域。

然而伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置偵測(cè)使用的是編碼器（encoder），驅(qū)動(dòng)大多為弦波驅(qū)動(dòng)加上閉迴路控制，常應(yīng)用在需精準(zhǔn)定位，穩(wěn)定速度或固定扭力的領(lǐng)域。表1為兩種馬達(dá)的整理表格。

Flux與Activate建模

弦波與六步方波皆有對(duì)應(yīng)的理論公式，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)activate上輸入公式可快速實(shí)現(xiàn)電流波形（圖1），再建立反電動(dòng)勢(shì)波形即可觀察搭配的扭力輸出結(jié)果。不僅縮短了理論推導(dǎo)結(jié)果的時(shí)間，更可搭配電磁分析軟體Flux建立的8極9槽直流無(wú)刷馬達(dá)與伺服馬達(dá)模型（圖2），將驅(qū)動(dòng)與電機(jī)一同整合在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)activate。達(dá)成初步的機(jī)（馬達(dá)）電（驅(qū)動(dòng)）整合，進(jìn)而觀察更接近實(shí)際狀況的輸出扭力模擬結(jié)果。

圖1

圖2

模擬結(jié)果與比較

圖3為電源與馬達(dá)在Activate平臺(tái)建立的模型，驅(qū)動(dòng)電流輸入馬達(dá)後，在Flux內(nèi)進(jìn)行扭力分析模擬，並非是扭力理論公式計(jì)算，更接近實(shí)際馬達(dá)性能。兩種電流波形搭配兩種馬達(dá)，最後有四種扭力結(jié)果，將扭力波形的增益值與漣波整理於表2，可見(jiàn)弦波搭配弦波，方波搭配梯型波可以得到穩(wěn)定的扭力輸出，扭力方均根（rms）值相似，此一結(jié)果跟我們常見(jiàn)的伺服馬達(dá)弦波驅(qū)動(dòng)，BLDC搭配六步方波結(jié)果相同。伺服電機(jī)搭配六步方波不僅有較大的扭力漣波，扭力方均根值（rms）也較小，是相對(duì)不利的組合。

然而B(niǎo)LDC搭配弦波驅(qū)動(dòng)可得到較大的扭力方均根值（rms），並且也不會(huì)有過(guò)大的扭力漣波產(chǎn)生，為十分有利的組合搭配，為了解釋此一現(xiàn)象，將藉由Flux內(nèi)的細(xì)步分析來(lái)探究原因。

圖3

線電壓與相電壓

為了探究BLDC搭配弦波驅(qū)動(dòng)的有利結(jié)果，必須由馬達(dá)與輸入電流的關(guān)係看起。驅(qū)動(dòng)器與馬達(dá)連接方式如圖4，實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是線（端子間）並非單相（U,V,W），所以要觀察的馬達(dá)反電動(dòng)勢(shì)為線（端子間）反電動(dòng)勢(shì)。在Flux模型內(nèi)建立線反電動(dòng)勢(shì)觀察，將其波形進(jìn)行快速傅立葉分析（FFT）。

圖5的線反電動(dòng)勢(shì)分析結(jié)果可見(jiàn)幾乎沒(méi)有高階諧波項(xiàng)目，相當(dāng)於完美的弦波波形。馬達(dá)的相反電勢(shì)波形為梯形波但線反電動(dòng)勢(shì)波形為弦波，當(dāng)搭配的為弦波電流源時(shí)，實(shí)際上為弦波搭配的組合，說(shuō)明了為何扭力漣波較小的根本原因。

圖4

圖5

結(jié)論

藉由MBD方式在實(shí)體測(cè)試之前即可預(yù)測(cè)測(cè)試結(jié)果，可大幅降低測(cè)試的費(fèi)用與時(shí)間。試想僅販?zhǔn)垓?qū)動(dòng)器廠商，對(duì)接不同類型的馬達(dá)，採(cǎi)用MBD方式可在客戶測(cè)試前提出可能預(yù)見(jiàn)的測(cè)試結(jié)果，避免爭(zhēng)議發(fā)生。對(duì)於販?zhǔn)垴R達(dá)廠商也是如此，對(duì)應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)方式馬達(dá)會(huì)有不同性能表現(xiàn)。MBD可以在設(shè)計(jì)馬達(dá)時(shí)，就將驅(qū)動(dòng)的影響納入，不僅節(jié)省成本更可累積公司的軟實(shí)力。

近期日益火熱的電動(dòng)載具產(chǎn)業(yè)，馬達(dá)跟驅(qū)動(dòng)皆會(huì)一併開(kāi)發(fā)，使用MBD可將測(cè)試可能出現(xiàn)的問(wèn)題在模型上預(yù)先顯示。然而並非僅有馬達(dá)會(huì)受驅(qū)動(dòng)影響特性，馬達(dá)特性的變化也會(huì)影響驅(qū)動(dòng)端的演算，所以驅(qū)動(dòng)與馬達(dá)的雙向聯(lián)合模擬日益重要，將PID控制、dq軸轉(zhuǎn)換、閉迴路控制整合於Activate驅(qū)動(dòng)模型，再於Flux模型進(jìn)行雙向耦合，達(dá)到digi twins的目標(biāo)。

（本文作者陳志豪為祐謙科技電機(jī)顧問(wèn)）