More Related Content Similar to 馬達基本認識與 BLDC 驅動實驗 Similar to 馬達基本認識與 BLDC 驅動實驗 (20) 12. DC Motor ( 有刷直流馬達 )
最初也是構造及控制最簡單的一種馬達，轉子線圈利用電
刷令電流在正負相間換相，轉速由繞組線圈的電壓決定，
驅動電路簡單，如不須對馬達進行控制，直接以直流電供
電即可使馬達旋轉，不似其他類型馬達，無須驅動電路即
可旋轉。
13. BLDC ( 無刷直流馬達 )
BLDC 之所以稱無刷直流馬達，是因為 BLDC 無須透過電
刷進行電流換相，且馬達特性與 DC Motor 相同，轉速同
樣由繞組線圈的電壓決定，與 DC Motor 相比少了噪音與
電刷磨損的問題。
BLDC 無法直接通電旋轉，需透
過驅動電路將單一直流電轉換成
三相電流。
14. BLDC ( 無刷直流馬達 )
BLDC 以繞組線圈為定子，其實在各種馬類型中，除了 DC
Motor 因為具有電刷構造，因而是以繞組線圈為轉子外，
其他類型馬達的繞組線圈皆為定子，除非你希望在馬達旋
轉時，電源與電線跟著一起旋轉。
繞組定子
繞組線圈
永磁轉子
軸承
15. 三相單極 BLDC
在 BLDC 發展初期，積體電路技術尚未普及，當時的
BLDC 大多為三相單極型，驅動電路透過與馬達轉子連動
的旋轉快門與光電元件可以達成 120° 機械式換相，以右
下方圖中為例，當 PT1 未被旋轉快門遮蔽時，則電路開關
Tr1 為導通， Tr2 與 Tr3 為
斷路， W1 因此通電產
生磁場吸引轉子磁鐵的
N 極，只要電路通電轉
子就會持續轉動。
16. 三相單極 BLDC
單極型 BLDC 雖然電路簡單且可進行機械式換相，但隨著
積體電路的普及與微處理器的出現，為了提高 BLDC 的效
能，此種類型的馬達已漸漸的不符合大部分的需求。
17. 三相雙極 BLDC
雙極型 BLDC 採用三相電橋式電路進行驅動，之所以稱單
極型、雙極型，兩者之間的主要差異在於，單極型線圈的
電流為直流電，雙極型線圈的電流則是在正負間轉換的交
流電。
雙極型驅動電路單極型驅動電路
20. PMSM ( 永磁同步馬達 )
PMSM 與 BLDC 構 造 相 似 ， 差 異 僅 在 於 定 子 繞 組 不
同， PMSM 的定子繞組方式使馬達的反電動勢 ( 感應電動
勢 ) 為弦波電壓， BLDC 則為方波電壓。
PMSM 與 BLDC 同樣為三相電流驅動，各相弦波電流的相
位差為 120°
23. PMSM 與 BLDC
PMSM 與 BLDC 本質上是相同的馬達，實際應用上常因為
性能上的需求，設計各種介於弦波與方波間的反電動勢馬
達，而驅動電流的控制，也常常不一定就是標準的方波或
弦波。
隨著微處理器與電子技術的進步， BLDC 為求降低轉矩漣
波與進行精密控制，也越來越朝 PMSM 發展，使得兩者
間的分界也越來越模糊。
30. VR 型步進馬達 ( 可變磁阻 )
隨著步進馬達的發展，現在幾乎都是以磁阻馬達為主流，
應用最小磁阻原理運轉的磁阻馬達，可透過如齒輪狀突起
的小齒結構，達到高解析度的定位。
31. HB 型步進馬達 ( 混合型 )
一般磁阻馬達內部並不具備永
久磁鐵，因為使用導磁材料即
可產生磁阻力，然而為了進一
步提升步進馬達的解析度，會
在轉子中間加裝一永久磁鐵，
如右圖所示中間的永久磁鐵會
分別把轉子 1 與轉子 2 磁化成
不同的磁極。
32. HB 型步進馬達 ( 混合型 )
轉子 1 與轉子 2 除了磁極
相反之外，與定子小齒的對
應方式也相反，如右圖所示
當定子與轉子 1 為凸極對
凸極時，定子與轉子 2 則
為凸極對凹槽，使得 HB
型步進馬達可提供較 VR
型雙倍的解析度。
轉子 2
轉子 1
33. HB 型步進馬達的定位
轉子 1 與轉子 2 各磁化為 N 極與 S 極，下圖中 A 相定
子先激磁為 S 極，轉子 1 凸極與 A 相定子凸極相吸，接
著換 B 相定子激磁為 N 極，轉子 2 凸極與 B 相定子凸
極相吸，而轉子只位移了 十分之一的 徑節 (diametral
pitch) 。
34. HB 型步進馬達的定位
以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後
，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離
5∆ ，而 = 0.72°
5∆ ∆ 2∆
36° + ∆
A B C
4(36° + ∆)
36° + ∆0°
2(36° + ∆)
3(36° + ∆)
35. HB 型步進馬達的定位
以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後
，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離
5∆ ，而 = 0.72°
5∆ ∆ 2∆
36° + ∆
B C D
4(36° + ∆)
36° + ∆0°
2(36° + ∆)
3(36° + ∆)
36. HB 型步進馬達的定位
以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後
，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離
5∆ ，而 = 0.72°
5∆ ∆ 2∆
36° + ∆
C D E
4(36° + ∆)
36° + ∆0°
2(36° + ∆)
3(36° + ∆)
37. HB 型步進馬達的定位
以 5 相的 HB 型步進馬達為例，從 A 相開始依序激磁後
，再回到 A 相激磁時，轉子共旋轉了 1 個齒寬的距離
5∆ ，而 = 0.72°
5∆ ∆ 2∆
36° + ∆
D E A
4(36° + ∆)
36° + ∆0°
2(36° + ∆)
3(36° + ∆)
38. HB 型步進馬達的定位
每一相定子繞組皆相隔 36° + ∆ ，除了 E 相與 A 相的定
子繞組，由下圖可知，同一相定子繞組之兩極為共軸，角
度相差為 180° ，所以 E 相與 A 相間的距離須調整為
180° - 4(36° + ∆) = 36° - 4∆
5∆ ∆ 2∆
36° - 4∆
E A B
4(36° + ∆)
36° + ∆0°
2(36° + ∆)
3(36° + ∆)
180
°
41. 感應馬達的特性
與 PMSM 相同，應用 PWM 技術產生三相弦波電流即可
驅動感應馬達旋轉。
感應馬達又稱異步馬達，由運轉原理可知磁場旋轉速度與
馬達導體轉子轉速會存在一轉速差，且轉速差異越大導體
內的感應電流也越大，雖與永磁無刷馬達以及磁阻馬達等
馬達同為旋轉磁場驅動轉子，但並不相似於同步馬達磁場
旋轉速度需與馬達轉子配合。
43. PWM 控制
脈衝寬度調變 (PWM) 技術常被應用於馬達的控制上，以
BLDC 為例，線圈通電時 MOSFET 依照 PWM 訊號開關，
而非完全導通，如此便可在不改變對驅動電路供電電壓的
情形下，對馬達進行轉速或扭力控制。
44. Duty of PWM Control
Duty 為 PWM 方波的一個週期內導通的百分比，假設供
給驅動電路的電壓為 V 且 Duty 為 50% ，則此時馬達的
相電流平均電壓為 V × 0.5 。
馬達線圈內阻為固定值，改變平均電壓即等同改變線圈電
流大小，進而對馬達進行控制。
45. PWM 變壓實例
具有 PWM 功能的電子晶片可經由指定腳位輸出 PWM 訊
號，將晶片輸出的 PWM 訊號接 LED 燈泡的正極，再將
LED 負極與晶片共地，就可藉由改變 PWM 的 Duty 來控
制 LED 的亮度。
46. Frequency of PWM Control
頻率為 PWM 周期的倒數，由下圖可知，當 Duty 相同時
頻率越低則電流的變化幅度越大，則馬達的轉矩輸出也越
不穩定，提高 PWM 的頻率可獲得較穩定之相電流及轉矩
輸出。
Ua
Ia
47. Frequency of PWM Control
雖然 PWM 頻率越高馬達的電流及轉矩也越穩定，但是受
限於實際的物理條件，當開關切換頻太高時，可能會發生
電流不足以及電子元件過熱的情形，因此 PWM 的頻率應
在馬達的控制與驅動需求，以及電子元件的規格間取得合
適的平衡點。
Ua
Ia
50. N-channel MOSFET
N-channel 的 MOSFET 之基本應用電路如右下圖所示，電
晶體的汲極接一正電壓，源極則接地，閘極則接收 PWM
訊號， N-channel MOSFET 的開關特性為當 (VDS - VGS) < VGS(th)
時，電流才能從汲極流向源極，而電流通道大小以及 VGS(th)
的值則需參考電晶體製造商提供的 Datasheet 。
Drain
Source
51. P-channel MOSFET
P-channel 的 MOSFET 之基本應用電路如右下圖所示，電
晶體的汲極接一負電壓，源極則接地，閘極則接收 PWM
訊號， P-channel MOSFET 的開關特性為當 (VDS - VGS) > VGS(th)
時，電流才能從源極流向汲極，此電路中 VDS 與 VGS(th) 的值
皆為負數， VGS 亦為 [-10 0] V 。
Source
Drain
52. MOSFET 使用上的注意事項
大部分 MOSFET 的型號與規格皆可至製造商的網站上查詢
及下載 Datasheet ， MOSFET 的選擇初期可考慮驅動電路
電源電壓與馬達運轉所需電流大小來選擇型號與規格，最
常造成 MOSFET 損壞的情形有二個：
瞬間電壓變化率過大。
散熱不及導致溫度上升，造成容
許電流下降，右圖即為汲極電流
容許量與內部溫度之曲線圖。
54. BLDC 驅動電路
一塊 BLDC 驅動板大致上由 MCU 與三相橋式電路組成，
一般 MCU 之運作電壓通常為 5V ，而其 I/O 之輸出電壓
甚至可能只有 3.3V ，而 BLDC 驅動電路的運作電壓通常
都遠高於 5V ，如此一來 MCU 的 I/O 則無法直接控制
MOSFET 。
Vdc
Q1
Q4
Q3
Q6
Q5
Q2
A B
C
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
MCU
55. Pull High Gate
為了升高閘極電壓，最簡單的做法就是透過一個 Pull High
電阻利用 Vdc 提高 MCU I/O 輸出 Q1 ~ Q6 的電壓，而
Pull High 電阻的阻值則應參考 MOSFET 的閘極所能承受的
電流大小。
Vdc
Q1
Q4
Q3
Q6
Q5
Q2
A B C
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
MCU
Pull High Resistor
57. MOSFET Driver
VB 與 VS 之間的電容為自舉電容， VB 與 VS 間的電壓為浮
動電壓受自舉電容影響，而自舉電容之容值可參考該顆
MOSFET Driver 的 Application Note 。
59. BLDC 換相邏輯
雙極型 BLDC 採 60° 換相，目前主要的換相邏輯有 120
度導通與 180 度導通，使用 120 度導通換相邏輯時，每
一個電晶體開關的持續導通時間為 120 度機械角， 180 度
導通則持續 180 度機械角。
120 0°~60° ~120° ~180° ~240° ~300° ~360°
Q1 1 1 0 0 0 0
Q2 0 1 1 0 0 0
Q3 0 0 1 1 0 0
Q4 0 0 0 1 1 0
Q5 0 0 0 0 1 1
Q6 1 0 0 0 0 1
60. BLDC 換相邏輯
雙極型 BLDC 採 60° 換相，目前主要的換相邏輯有 120
度導通與 180 度導通，使用 120 度導通換相邏輯時，每
一個電晶體開關的持續導通時間為 120 度機械角， 180 度
導通則持續 180 度機械角。
180 0°~60° ~120° ~180° ~240° ~300° ~360°
Q1 1 1 1 0 0 0
Q2 0 1 1 1 0 0
Q3 0 0 1 1 1 0
Q4 0 0 0 1 1 1
Q5 1 0 0 0 1 1
Q6 1 1 0 0 0 1
67. 180 度導通換相邏輯
180 度導通換相每一相中，共有 3 個電晶體導通， U 、
V 、 W 三相電流中，同時均有電流流通，在相同電壓下，
電流及扭力較 120 度導通高，但馬達的電流對力矩之轉換
效率較差。
0°~60°
Q1 1
Q2 0
Q3 0
Q4 0
Q5 1
Q6 1
68. 180 度導通換相邏輯
180 度導通換相每一相中，共有 3 個電晶體導通， U 、
V 、 W 三相電流中，同時均有電流流通，在相同電壓下，
電流及扭力較 120 度導通高，但馬達的電流對力矩之轉換
效率較差。
60°~120°
Q1 1
Q2 1
Q3 0
Q4 0
Q5 0
Q6 1
69. 180 度導通換相邏輯
180 度導通換相每一相中，共有 3 個電晶體導通， U 、
V 、 W 三相電流中，同時均有電流流通，在相同電壓下，
電流及扭力較 120 度導通高，但馬達的電流對力矩之轉換
效率較差。
120°~180°
Q1 1
Q2 1
Q3 1
Q4 0
Q5 0
Q6 0
70. 180 度導通換相邏輯
180 度導通換相每一相中，共有 3 個電晶體導通， U 、
V 、 W 三相電流中，同時均有電流流通，在相同電壓下，
電流及扭力較 120 度導通高，但馬達的電流對力矩之轉換
效率較差。
180°~240°
Q1 0
Q2 1
Q3 1
Q4 1
Q5 0
Q6 0
71. 180 度導通換相邏輯
180 度導通換相每一相中，共有 3 個電晶體導通， U 、
V 、 W 三相電流中，同時均有電流流通，在相同電壓下，
電流及扭力較 120 度導通高，但馬達的電流對力矩之轉換
效率較差。
240°~300°
Q1 0
Q2 0
Q3 1
Q4 1
Q5 1
Q6 0
72. 180 度導通換相邏輯
180 度導通換相每一相中，共有 3 個電晶體導通， U 、
V 、 W 三相電流中，同時均有電流流通，在相同電壓下，
電流及扭力較 120 度導通高，但馬達的電流對力矩之轉換
效率較差。
300°~360°
Q1 0
Q2 0
Q3 0
Q4 1
Q5 1
Q6 1
