无刷电机控制采用的六步方波与弦波驱动的差异有哪些？

六步方波(Six Step Square Wave)与弦波(Sine Wave)驱动是无刷电机两大驱动方式，各有其优缺点与需求规格，这些差异会导致同一电机与驱动器，采用不同驱动方式，所获得的电机动态响应、转矩、加速度、振动、噪音及转速都有所不同。下面从输入电能、开关元件、微控制器(MCU)以及电机特性四种方向来探讨其差异性与造成的原因。

输入电能

电能功率(Power)是电压(Voltage)与电流(Current)的乘积(P=Vi)，若将电压及电流值绘于图面上，则两者交叠的面积就是电能功率，面积越大则能量越大。电机由电能输入转换为动能输出的装置，在无不良的饱和设计情況下，则输入电能越多则输出的动能也就越大。

六步方波与弦波驱动其实代表了不同的电流输入状态，方波的电流图形就如同一个长方块，电源输入时，电流值瞬间冲到最高，持续一段时间直到电源关闭时，电流才瞬间被切断。其中六步方波又分为180°与120°两种，是电机应用中不同的反电动势周期，其每180°电气角后会转换极性，由N极改对应到S极。180°的六步方波代表磁极一开始感应到，则电流同时输入;而120°则是从磁极开始开始感应后，延持至30度的电气角后才开始输入，且只持续开起120°的区间，到电气角150°时就关闭。弦波则是180°的开始，但输入的波形是如同一正弦波，需要时间来持续上升到最高点，再持续下降，并不如方波瞬间就冲到最高点。

若以面积来进行比较，则180°方波 > 弦波 > 120°方波，其比例关系约为180°方波为100%，弦波约为70%，120°方波为66%。在相同输入直流电压的情況下，180°六步方波能输入最大的电能，而弦波次之，最后则是120°方波。

另外需要注意的是电流供给情況，方波是尽可能在最短时间能就输入最大电流值给电机使用，而弦波则是依照波形比例关系输入对应电流值;由于电机转矩变化会正比于电流值，六步方波的转矩变化较为剧烈且瞬间，能提供出最大瞬间转矩值，会造成振动噪音的产生。

开关元件

在开关元件上主要有两种形态的损失，一种为导通损失，只要开关关元件上有电流经过就会产生的损失，其损失能量的大小与通過的电流值及元件內阻有关系。另一种则是为开关切换损失，也就是在每一次开关都会产生的狀态切换损失，因此开关的频率越高则损失能量越大。

六步方波若没有要使用PWM调控电压时，其驱动开关的切换频率与电机转速、磁极数成比例关系，会依电机不同会有差別，但大多落于1000Hz以內。弦波驱动则需要利用开关元件的切换调配出弦波电流。因此，在同样的全载无调控电压情況下，弦波驱动除了既有的电机驱动切换频率外，仍比六步方波多了开关次数来达成弦波效果。这增加的开关次数将会代给弦波驱动额外的损失;因此在开关元件的比较下，六步方波所产生的损失将小于弦波驱动。

人耳可以接收到20~20kHz之间的频率声音，其中约为13kHz附近最为明显，因此在驱动电机时，建义调整开关元件的切换频率，尽可能避开人耳接收范围，则可消除频率噪音的产生。

微控制器

六步方波的驱动控制远比弦波来的简单且正确，只需要单纯的接收到位置信号后送出相对应的信号输出，开启对应的开关元件。无论是采用六组变化信号的Hall Sensor，或是编码较多的Encoder，甚至是类比信号型的Resolver，都能轻松地处理。微控制器其实不用特别计算，只需要用查表的方式就能轻松进行电机驱动的工作，留下运算容量及处理时间来应付其他需求，如安全装置或系通所需之控制法则，8 bit的MCU已经可以让电机运动得很顺畅了。

弦波驱动在使用信号较多的Sensor时也可处理，解析出不错的弦波控制结果，但搭配Hall Sensor的六组变化信号时，就需要依靠微控制进行估测运算来达到弦波的结果，会大幅增加微控制器的负担;在进行加减的控制时，也需要导入PID的控制法则来抑制演算误差，这些都是占掉了MCU的资源，因此，进行弦波驱动的MCU通常会采用24bit以上的规格。

电机特性

电机的输出能量是电场与磁场的交互作用，电能进来的位置最好是正对磁场作用的位置。180°的方波驱动能输入最大的电能，若磁场的作用仅有120°的宽度，那也是做白工而已，因此，最好先观察电机的反电动势，电场与磁场相互配合才能产生有效的动能输出，电机的效率才高。

振动噪音方面，则弦波驱动其力量的传导较为平顺，不似六步方波有瞬间加速爆冲的动能产生，若在轴承及轴心的抓持力不足的情況下，使用弦波驱动可大幅降低电机侧向力的作用，达到降低振动噪音的效果。