馬達控制系列


微小馬達控制IC的發展現況與趨勢

鄒應嶼 教 授

電力電子與運動控制實驗室

台灣新竹交通大學 電機與控制工程系 

Dec. 12, 2000

摘 要

       本研究針對微小型無刷直流馬達,提出新型的無感測控制架構,發展混和模式IC設計方法,完成其設計方法的模擬與驗證。所設計的無感測換相控制IC主要是針對高性能DVD-RAM主軸馬達控制的應用,本研究結合數位與類比控制技術,發展混合式無刷直流馬達無感測控制技術。本階段主要的研究目標在於發展出一種適合混合式IC設計的無感測控制架構,研究高轉速(>10,000rpm)的轉速估測與弱磁控制方法,發展無感測控制法則的定點運算方法,探討量化誤差所造成的換相誤差,研究計畫採用單晶片DSP進行控制架構的實作驗證,並結合類比電路設計,完成一個以CPLD為基礎的微小馬達測試平台,藉此評估所提出之混合式無感測控制架構的性能,並以此為基礎進行無感測控制IC設計之研究。本研究同時針對馬達控制IC設計,發展可共用與重複使用的IC設計架構與方法,發展可組合式的數位馬達控制晶片架構,做為未來設計微小馬達控制控制晶片的基礎。

簡  介

       本計畫以微小無刷直流馬達為目標,發展與整合無感測控制技術、DSP馬達控制、混合式馬達控制晶片設計、馬達驅動IC設計、I2C串聯通訊IC、數位伺服控制晶片設計等技術,研製一個可程式之無感測無刷直流馬達控制晶片,發展下一代智慧型馬達控制晶片設計之關鍵技術。

馬達驅動系統在資訊家電的應用

       未來科技發展的方向,將創造一個更適宜人類生活的環境,這其中將以資訊與通訊為基本媒介,但能源與環境的改善,將成為更重要的科技發展目標。在目前以網路通訊為主導的時代,資訊家電將扮演更重要的角色。在一個先進的資訊家電系統中,馬達經常扮演著不可或缺的角色,從圖1可看出馬達驅動系統在資訊家電的廣泛應用。

圖1 DVD光碟機無刷直流主軸馬達 (a) 單相 (b) 三相

微小馬達的市場發展現況

       微小馬達的應用相當廣泛,舉凡一般小型資訊設備如相機鏡頭自動對焦的壓電馬達、光碟機讀取頭的音圈馬達、光碟機的主軸馬達、影像掃描器的驅動馬達,其他如電動玩具(新力公司的愛波狗、遙控車)、汽車(雨刷、電動天線、側視鏡等)、醫療器材等等,根據1999年日本在微小馬達領域的產業調查,全世界總共銷售了約40億顆的微小馬達。隨著未來資訊家電的發展,微小馬達將具有龐大的市場發展潛力,而結合控制電路的積體化微小馬達,將成為市場主流,因此,整合微小馬達、積體電路、與控制等設計與製造技術,就成為微小馬達產業發展的重要關鍵。

DVD光碟機主軸馬達的發展現況

       在各種微小馬達的應用中,光碟機無疑的是其中快速成長且具有高附加價值的應用。DVD-ROM是繼CD-ROM後之主要轉型光碟機產品之一,由於DVD的標準整合了所有影音資訊儲存媒介,容量加大七倍,功能更強,應用空間更為寬廣,可設計成雙雷射同時讀取VCD及DVD碟片,取代CD-ROM已是必然的趨勢。

       我國CD-ROM光碟機及CD-R光碟片成長快速,其中CD-ROM光碟機已由1995年的360萬台成長至1999年的4500萬台,佔世界市場約為43%,短短三年的時間已成長了將近十倍。以DVD-ROM逐漸取代CD-ROM產業的趨勢來看,五年後DVD-ROM勢必有50%的替代,即2,000多萬台的產量,估計亦有25億美元的年產值(DVD的價格約為CD-ROM的兩倍價格)。然而,做的越多反而利潤越薄,主要在於關鍵零組件的掌握受到諸多的限制。

       由於DVD-ROM的大幅量產,市場價格已非常接近CD-ROM,國內廠商亦蓄勢待發,紛紛投入研發工作,已有相當之廠商建立商品銷售管道,雖然目前權利金仍高居不下,但由於市場的需求,將迫使DVD聯盟降低權利金之比例。但國內光碟機產業必須掌握更多的關鍵零組件與關鍵技術,才能有效的降低成本,提升性能,增加產品競爭力。光碟機致動器(Actuator)是主宰CD-ROM、DVD-ROM倍速重要因素之一。由於光碟機產品逐漸趨向於輕薄短小,機座空間有限的情況下,倍速增加之困難度益形提高。我國發展光碟機產業無法取得領先地位,主要在於光碟機倍速之技術無法與日本競爭。因此若由國內研究發展因而擁有此技術,即可維持倍速領先地位。

積體化馬達的發展現況與趨勢

       近年來由於DSP、電力電子、與馬達控制技術的快速發展,數位馬達驅動已成為馬達控制技術發展的主流。多軸馬達控制系統在自動化工廠中扮演著關鍵的角色,例如機器人、CNC、紡織機、印刷機、造紙機、抽紗機等等。在晶圓製造工廠中,多軸運動控制系統也運用在多種製程設備如晶圓切割、點線機、Stepper等等。在一個包含機械平台、伺服馬達、功率轉換器、與DSP數位控制器的機電系統中,系統整合是設計的主要關鍵。單晶片DSP控制器由於具備強大的計算能力、完整的控制介面、與便宜的價格,因此成為整合機電系統的利器,藉由軟體控制技術,系統工程師幾乎可以將所有的控制功能均已軟體的方式實現,不僅具有靈活性的優點,也可將先進的適應控制方法、訊號處理技術、估計理論、智慧控制等方法應用於實際系統。

       馬達控制在許多的自動化、資訊,家電設備中都是不可缺少的項目,在精密機械製造與微型機械的研究領域,精密的馬達控制更是重要。近年來不僅馬達的材料與製作技術有了新的發展,在控制元件與方法上也有快速的進步,在這些方面都是各先進工業國家競相努力的科技領域。由於微電子、功率模組、網路通訊技術、馬達設計與製造等技術的發展,機電一體的積體化(或單體化)的馬達(Integrated ElectroMechanical Motor, IEM Motor)[1]-[7],將成為未來馬達的發展趨勢。這種結合機械與電子技術的的積體馬達,在微小馬達領域,將有機會首先得到迅速發展的機會,這是因為一方面微小馬達的龐大市場需求,另一方面整合低功率驅動IC、類比IC、與數位IC等設計與製造技術,在技術面也較為可行。當未來市場與技術更為成熟時,這種發展趨勢將更為明顯。

嵌入式DSP馬達控制器的發展

       近年來大型積體電路技術發展快速,微處理器(mP)與數位信號處理器(DSP)的性能也大幅提升,軟體控制(software control)的觀念在未來控制技術的發展將扮演更重要的角色。採用全數位控制方式的數位式馬達驅動系統具較簡單的硬體控制介面,但卻具有更靈活的軟體控制介面。採用全數位控制方式具有相當多的優點,其中影響最深遠的是電流控制迴路的數位化,數位式電流控制(digital current control)可直接產生功率級的脈寬調變訊號,這意味著與馬達特性相關的的一些關鍵控制參數,均可以軟體控制(software control)方式實現,擴展了未來自調式伺服驅動器(auto-tuning servo drive)的發展空間。

       應用於馬達控制的微控器,必須具備價格便宜、高速的運算能力、與完整的馬達控制介面。一般的單晶片微控器如Intel 8051 、Intel 80196MC 等,已廣泛應用於工業控制領域,其關鍵主要在於完整的I/O 界面,但應用於馬達控制,則有I/O 不足,或運算能力不夠的缺點。數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)的設計主要即在於以數位計算方式進行信號處理,因而先天上即具有強大的數值計算能力,主要應用於電腦繪圖、儀器量測、影像語音、控制通訊等領域。DSP 也可視為一個具有強大計算能力的微處理器,因此舉凡微處理器可以應用的場合,如需要更快速的計算能力,則可考慮使用DSP。

       以DSP核心為基礎的嵌入式DSP控制晶片設計,因為一方面可發揮DSP強大的數位信號處理能力,另一方面可經由特殊的電路設計以符合特定的應用需求,因此近年來發展迅速,已成為解決即時控制的一種主流方法[12]-[22]。

DSP、類比控制IC、功率IC的整合發展

       未來由於馬達驅動器的廣大市場需求,發展應用於馬達控制的專用DSP 晶片已成為多家半導體公司努力的目標,例如TI (TMS320F240)、Analog Devices (ADMC300)、Hitachi (SH7045)、NEC (UPD78F0988)、Motorola (68H908MR24)、Mitsubishi(M30624FG)等公司。TI 公司於1999 年併購了Unitrode ,Unitrode 是世界頂尖的開關式電源供應器類比控制IC的製造公司,TI是目前領先的DSP製造公司,由此可看出其結合類比與數位IC 的發展策略,這也是未來IC整合設計的發展趨勢。由此或預測DSP、類比控制IC、功率IC的製造公司,為來將朝向整合的方向發展。

馬達控制IC的發展

       以高性能微處理器為基礎的全數位控制方式雖然提供了"軟體控制"發展的空間,但隨著性能要求的提高,數位控制系統的取樣頻率與量測信號的解析度仍然因界面電路受到相當大的限制。在以DSP為基礎的電力電子與馬達驅動應用領域,高精度的programmable timer、incremental encoder decoder、與analog-to-digital converter 均是不可或缺的。要使軟體控制能得到充份的發揮,將這些界面電路與以積體化與智慧化是極為重要的。

       近年來由於特殊應用積體電路 (application-specific IC, ASIC)技術的發展,複雜的類比與數位電路已可藉由基本電路胞(basic circuit cell)與製程技術加以整合,以較快速與低廉的方式完成特殊功能之IC。這種方式對已掌握系統技術與市場規模的應用而言,可算是一種最佳的解決方案。但在技術發展與產品開發階段,其成本仍然偏高且原型化(prototyping)時間較長,因此並不適當。

       自1980年以來,ASIC技術逐漸演進,陸續發展出幾種解決方案,其中包括mask-programmable gate array、cell-based IC (CBIC)、以及programmable array logic (PAL)、field-programmable logic array (FPLA)等。基本上ASIC的解決方案可分為三類:CBIC、gate array、與PLD (programmable logic device),其中CBIC閘數最多,但交貨時最長,而閘數的PLD最少,但使用者可自行更改邏輯閘間的連接關係,對特殊應用而言最為方便。FPGA (field programmable gate array)是Xilinx公司新近發展的一種可程式化數位邏輯IC,類屬於PLD。FPGA由數千乃至數萬個基本的邏輯閘組成,邏輯閘間的關係可以類似矩陣節點的方式定義,因此可藉由RAM或ROM 來定義其電路結構。

       目前市場少已有多種應用於馬達控制與運動控制的專用IC,例如HCTL-1000 [18]是惠普(Hewlett Packard)公司生產的馬達控制IC,採8位元整數運算,具有一個一階的相位補償控制器,控制參數可線上調整,並擁有單相脈寬調變(PWM)波形產生器及電流命令輸出埠,適用於小型事務型機器的直流伺服馬達位置或速度控制。LM628/LM629是國家半導體(National Semiconductor, NS)公司生產的馬達控制IC,具備位置、速度控制及一個PID控制器,但不含PWM產生器,主要應用於小型馬達之速度控制。此外Galil公司製造的GL-1200與LM628功能相當類似,但命令形式為脈波信號且不包含控制器,因此控制器必須另外以硬體實現。上述三種馬達控制IC主要是針對簡化馬達控制的伺服迴路控制電路,因此可適用於直流馬達控制,但均無法應用於無刷直流馬達或交流馬達的控制。

       目前已商品化的馬達控制IC均功能有限,已無法符合未來競爭的要求。同時這些馬達控制晶片也都是國外製品,我國目前仍未有公司研發此類產品。本計畫擬發展先進的運動與馬達控制晶片,針對未來高積體化的發展趨勢,發展其中的關鍵晶片。為了能夠兼顧成本低、體積小、靈活性高、可程式化、反應快速、不受溫度漂移等需求,本計畫擬發展應用於微小馬達的控制與驅動IC,並以主要應用於光碟機主軸驅動的無刷直流馬達為對象,發展可程式化的無感測控制IC。

電力電子與馬達驅動電腦輔助設計的發展

       由於高頻開關式電源將朝向積體化的方向發展,高頻開關電源的電腦輔助設計技術將愈為重要,近年來在這方面的學術理論發展與商用軟體應用,均有顯著的成長。然而,在開關式電源的CAD方法與軟體工具上,仍存在著相當多的問題有待克服,例如數位控制在開關電源已具有實用的價值,但如何結合數位控制與開關式轉換器的電腦模擬、簡化模型建立的過程、建立開關式轉換器的高階行為模型(behavior model)等,都仍是有待探討的學術問題。

       在發展嵌入式控制系統的過程中,評估其可行性是相當關鍵的一個步驟,在進行系統的軟硬體設計之前,應先確認(verify)控制策略的可行性。設計一個複雜機電控制系統的主要困難,往往在於無法事先確定是否能達到系統在整合後的一些關鍵性能指標。因此,經由硬體迴路模擬(hardware-in-the-loop)系統,可快速完成系統的可行性評估。

       近年來,由於PC與DSP的進步,所謂的硬體迴路模擬多藉由PC或DSP實現,因此出現了所謂的PC-in-the-loop、DSP-in-the-loop。藉由PC所提供的人機介面環境與充分的介面控制卡,設計者能在充分的支援下完成硬體迴路模擬系統的設計,並以此為基礎進行系統的可行性評估。

       在一個傳統的馬達驅動系統中,馬達通常被視為一個獨立的個體。因此,馬達設計與與驅動器設計,通常是毫不相關的。但對一個積體化智慧型馬達而言,馬達與與驅動器的設計,就必須具有相當程度的整合。本計畫將建立可整合IC設計、功率轉換與馬達驅動系統的模擬環境,並以此環境為基礎,進行馬達控制IC的設計。

國外相關研究

       圖1 所示為應用於超薄型 DVD光碟機無刷直流主軸馬達的構造示意圖,根據其電源驅動方式可分為單相與三相兩種型式,目前應用於DVD光碟機的高轉速主軸馬達主要為三相式外轉子無刷直流馬達。圖2為元本電子公司所製造的高轉速無刷直流主軸馬達的分解圖。本計畫主要針對高性能DVD-RAM的三相無刷直流主軸馬達,提出新型的無感測控制架構,發展結合類比與數位控制的混合式無刷直流馬達無感測控制技術,並研製一顆可程式化的馬達控制IC。所發展的技術可應用於高性能超薄型 DVD-RAM光碟機主軸驅動系統、資訊家電產品、電動車輛等領域。

       多功能太陽光變頻器也是一個值得探討的領域,就結構而言,一個多功能太陽光變頻器必須提供太陽能、負載、市電、與電池四者之間的電力流向與調節控制,除了在電路架構上必須力求精簡,轉換效率的提升與體積的縮小也是重要的設計目標,這些技術的發展,都必須結合電力電子的專業技術並配合實際需要的發展。

DVD-RAM的全數位馬達控制架構

      一個多功能的數位光碟機包含多個馬達驅動與伺服控制機構,圖3所示是傳統的光碟機伺服系統的控制架構圖,為了因應未來新一代全數位影音光碟機的發展,本研究提出新型的控制架構,如圖4所示。新型的電路架構將DVD影音晶片分為兩個主要的次系統:影音處理晶片與伺服控制晶片。在此一架構下,本研究發展以無刷直流主軸馬達為對象的伺服控制晶片。由於本計畫採用數位與類比混合模式的設計方式,能充分發揮不同電路實現方法的優點,具有良好的擴充設計能力,未來可擴至整個伺服控制晶片的設計,達到系統晶片化的目的。

無刷直流馬達控制IC的電路架構

      本計畫發展的無刷直流馬達的控制架構具有兩種控制模式,採用霍爾元件的標準模式,或是不需採用霍爾元件的無感測模式(sensorless mode)。為了建立晶片設計的流程與環境,本階段先設計標準模式的無刷直流馬達控制晶片,第二階段發展無感測模式控制晶片,第三階段則再加入I2C通訊介面並進行控制晶片的改善設計工作。

      圖5所示使本計畫所提出的無刷直流主軸馬達控制IC的電路架構,此規劃設計之IC以類比與數位混合模式設計為主,採用霍爾元件之回授信號進行換相控制,此IC亦包含數位式之電流與速度控制迴路。

無刷直流主軸馬達控制IC的設計

電腦模擬

      電腦模擬在系統晶片化的設計過程中扮演著作重要的角色,由於晶片設計所付出的研發成本非常高昂,因此在進行每一個設計步驟時,均必須以電腦模擬確認方法的可行性。IC設計的電腦模擬可分為三個層次:系統層次(system level)、電路層次(circuit level)、與實現層次(implementation level)。

      本計畫在系統層次的模擬軟體採用MATLAB/Simulink與PSIM,Simulink目前已提供便利電子的模擬工具箱(Power System Blockset),可以很方便的與MTALAB所提供的其他軟體整合。PSIM是一個以電路為導向的模擬軟體,可將類比電路與數位控制整合,與實際電路的一致性較高。圖6是採用PSIM模擬軟體所進行的無刷直流主軸馬達轉速控制模擬方塊圖,圖7是轉速控制模擬結果,圖8是包含霍爾元件回授鎖相迴路控制的模擬結果。  

結 論

       由於無刷直流馬達具有許多良好的特性,同時特別適合小型資訊與家電產品的應用,因此無刷直流馬達控制IC具有廣大的市場應用價值。目前市面上已有一些商品化的馬達控制晶片[7]-[11],仍未發現具有可規劃功能的無感測無刷直流馬達控制IC。


       本階段之研究,已完成無刷直流馬達混合式換相控制IC的設計[12],並已於2001年11 月向國科會晶片製作中心(CIC)申請『無刷直流馬達換相控制IC』的製作,獲得審查通過。預計於2001年3 月取得設計的晶片,屆時將進行下一步的測試評估工作。

       本階段同時也針對無刷直流馬達,提出了新型的混合式無感測換相控制機制的模擬,本階段也完成了數位式無刷直流馬達控制IC的模擬,此模擬已進行到IC電路佈局的層次,對下一階段數位式馬達控制IC的製作助益甚大。


       本計畫在研究過程中所遭遇的最大困難主要來自於研究團隊仍然缺乏mixed mode IC design的系統整合經驗,因此在IC設計的電路佈局與post layout模擬階段,花了較多的時間在熟悉設計軟體。另一方面,是混合模式IC的設計必須採用CIC所提供的製程,未來在商品化時若要更動,就必須根據採用的IC製程將後段設計重新再來一次。


       本計畫目前已完成之工作包括:提出DVD-RAM的全數位馬達控制架構、提出新型無刷直流馬達控制IC的電路架構、完成換相控制IC的電腦模擬與DSP驗證、完成類比式換相控制IC之設計、完成可程式換相控制IC之設計、完成CPLD馬達控制晶片測試平台之設計。下一階段將進行可程式化無刷直流馬達的無感測控制IC的研製。

參考文獻

光碟機主軸馬達控制IC設計

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