建立軟體模型進行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)（Model base design；MBD）已是目前產(chǎn)品開發(fā)趨勢所在，不僅可加速開發(fā)速度也可降低開發(fā)成本。對於馬達開發(fā)更是扮演著舉足輕重的角色，馬達除了電機本體設(shè)計之外，連接的驅(qū)動方式也是決定馬達性能的重要因素。
一般常見的驅(qū)動方式可分成弦波驅(qū)動與六步方波兩大類，相對應(yīng)的馬達反電動勢也有弦波（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)開發(fā)平臺activate進行四種不同搭配的扭力差異分析，可以節(jié)省實際實驗所需的經(jīng)費與時間。
直流無刷馬達與伺服馬達
直流無刷馬達（BLDC）與伺服馬達（Servo motor）在馬達本體結(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反電動勢（back EMF）波形，BLDC為梯型波，而伺服馬達大多為弦波。
除了馬達本體上的差異之外，BLDC的轉(zhuǎn)子位置偵測採用的是霍爾元件（Hall Sensor），對應(yīng)的驅(qū)動方式為六步方波（six step square wave）驅(qū)動且大多為開迴路（open loop）控制，常應(yīng)用在風扇等領(lǐng)域。
然而伺服馬達轉(zhuǎn)子位置偵測使用的是編碼器（encoder），驅(qū)動大多為弦波驅(qū)動加上閉迴路控制，常應(yīng)用在需精準定位，穩(wěn)定速度或固定扭力的領(lǐng)域。表1為兩種馬達的整理表格。
表1
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直流無刷馬達
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伺服馬達
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結(jié)構(gòu)
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繞線定子，磁石轉(zhuǎn)子
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反電動勢波形
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梯型波
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弦波
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轉(zhuǎn)子位置偵測
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霍爾元件
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編碼器
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驅(qū)動模式
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六步方波
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弦波
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控制方式
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開迴路
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閉迴路
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應(yīng)用領(lǐng)域
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風扇
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精準定位、穩(wěn)定速度、固定扭力
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Flux與Activate建模
弦波與六步方波皆有對應(yīng)的理論公式，在系統(tǒng)開發(fā)平臺activate上輸入公式可快速實現(xiàn)電流波形（圖1），再建立反電動勢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結(jié)果的時間，更可搭配電磁分析軟體Flux建立的8極9槽直流無刷馬達與伺服馬達模型（圖2），將驅(qū)動與電機一同整合在系統(tǒng)開發(fā)平臺activate。達成初步的機（馬達）電（驅(qū)動）整合，進而觀察更接近實際狀況的輸出扭力模擬結(jié)果。
模擬結(jié)果與比較
圖3為電源與馬達在Activate平臺建立的模型，驅(qū)動電流輸入馬達後，在Flux內(nèi)進行扭力分析模擬，並非是扭力理論公式計算，更接近實際馬達性能。兩種電流波形搭配兩種馬達，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)果跟我們常見的伺服馬達弦波驅(qū)動，BLDC搭配六步方波結(jié)果相同。伺服電機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，是相對不利的組合。
然而BLDC搭配弦波驅(qū)動可得到較大的扭力方均根值（rms），並且也不會有過大的扭力漣波產(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)的細步分析來探究原因。
表2
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伺服馬達+
弦波驅(qū)動
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直流無刷馬達+
六步方波
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伺服馬達+
六步方波
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直流無刷馬達+
弦波驅(qū)動
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扭力rms值（N*m）
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14.3
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13.5
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15.4
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16.4
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扭力漣波
（%）
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0.7
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5.5
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6.5
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2.6
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線電壓與相電壓
為了探究BLDC搭配弦波驅(qū)動的有利結(jié)果，必須由馬達與輸入電流的關(guān)係看起。驅(qū)動器與馬達連接方式如圖4，實際上對應(yīng)的是線（端子間）並非單相（U,V,W），所以要觀察的馬達反電動勢為線（端子間）反電動勢。在Flux模型內(nèi)建立線反電動勢觀察，將其波形進行快速傅立葉分析（FFT）。
圖5的線反電動勢分析結(jié)果可見幾乎沒有高階諧波項目，相當於完美的弦波波形。馬達的相反電勢波形為梯形波但線反電動勢波形為弦波，當搭配的為弦波電流源時，實際上為弦波搭配的組合，說明了為何扭力漣波較小的根本原因。
結(jié)論
藉由MBD方式在實體測試之前即可預測測試結(jié)果，可大幅降低測試的費用與時間。試想僅販售驅(qū)動器廠商，對接不同類型的馬達，採用MBD方式可在客戶測試前提出可能預見的測試結(jié)果，避免爭議發(fā)生。對於販售馬達廠商也是如此，對應(yīng)不同驅(qū)動方式馬達會有不同性能表現(xiàn)。MBD可以在設(shè)計馬達時，就將驅(qū)動的影響納入，不僅節(jié)省成本更可累積公司的軟實力。
近期日益火熱的電動載具產(chǎn)業(yè)，馬達跟驅(qū)動皆會一併開發(fā)，使用MBD可將測試可能出現(xiàn)的問題在模型上預先顯示。然而並非僅有馬達會受驅(qū)動影響特性，馬達特性的變化也會影響驅(qū)動端的演算，所以驅(qū)動與馬達的雙向聯(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)動模型，再於Flux模型進行雙向耦合，達到digi twins的目標。
（本文作者陳志豪為祐謙科技電機顧問）
