臺灣博碩士論文加值系統

科技的高度發展帶來諸多進步與方便，也造成許多工業污染，導致溫室效應，使得地球平均溫度逐年升高，對自然環境造成極度不良影響，許多動植物都因此受到迫害或者滅亡。因此近年來世界各國在交通、娛樂、生產...等方面，皆致力於節能減碳環保行動，以積極尋求改善生活與居住環境。本論文於空調系統中之室內送風機，使用永磁同步馬達(permanent-magnet synchronous motor, PMSM)取代傳統交流感應馬達，並採用無量測器向量控制方式驅動永磁同步馬達進而驅動送風機，以降低消耗功率提高效能，進而達成節能減碳功效。

A sensorless vector controlled permanent magnet synchronous motor drive without magnet-position sensor and shaft-position sensor is applied in fan coil unit. First, a stator flux estimator is developed utilizing measured stator voltage and current, and the flux position and rotor speed are acquired from the flux estimator. Then, the sensorless vector control permanent synchronous motor drive is established based on voltage space vector pulse width modulation skill. In the proposed system, the stator currents of the motor are obtained from the Hall-Effect current sensors, and all the control programs are developed by Infineon micro-processor MCU XE164FM-72F80L to drive the fan coil unit to validate the proposed approach.

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 II
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究背景與目的 2
1.3 內容大綱 3
第二章 永磁同步馬達應用於室內送風機系統介紹 4
2.1 簡介 4
2.1.1 空調的定義 4
2.1.2 空氣調節設備的構成 5
2.1.3 空調設備裝置方法 6
2.1.4 空調方式選擇與熱源設備 7
2.2 室內送風機性能與種類及架構介紹 10
2.2.1 室內送風機的性能 10
2.2.2 室內送風機的種類 10
2.2.3 冰水式室內送風機的架構介紹 12
2.3 室內送風機依照送風機制可區分三類 10
2.3.1 軸流式送風機 13
2.3.2 後傾式離心送風機 13
2.3.3 前傾式離心送風機 13
2.4 室內送風機系統架構 14
第三章 永磁同步馬達原理及控制架構 15
3.1 簡介 15
3.2 結構及特性 16
3.2.1 依照轉子結構區分 16
3.2.2 依照定子結構區分 18
3.2.3 依照定子繞線方式區分 19
3.3 驅動原理 20
3.4 空間向量脈波寬調變(SVPWM)原理與法則推導 24
3.5 數學模式 33
3.6 永磁同步馬達直接向量控制 41
第四章 永磁同步馬達無量測器向量控制 45
4.1 前言 45
4.2 永磁同步馬達無量測器啟動方法 47
4.3 永磁同步馬達估測轉速方法 50
4.4 永磁同步馬達磁通估測 53
4.4.1 永磁同步馬達推導轉子位置 54
4.4.2 永磁同步馬達磁通估測 55
4.4.3 永磁同步馬達直接向量控制架構 57
第五章 無量測器直接向量控制模擬與實作測試 58
5.1 前言 58
5.1.1 PI控制器設計 58
5.1.2 電流控制器設計 62
5.1.3 速度迴路控制器設計 67
5.1.4 無量測永磁同步馬達速度閉迴路響應模擬數據 73
5.2 永磁同步馬達無量測向量控制的實驗量測波形 84
5.2.1 電源系統 84
5.2.1.1 EMI濾波器 84
5.2.1.2 切換式電源供應器 87
5.2.1.3 功率因數修正器 89
5.2.2 控制系統 93
5.2.2.1 類比輸入 93
5.2.2.2 通訊功能 93
5.2.2.3 硬體保護 93
5.2.3 核心架構 93
5.2.4 驅動電路 94
5.3 永磁同步馬達無量測直接向量控制系統控制流程圖 103
5.4 功率因數修正 106
5.4.1 PFC電路架構 106
5.4.2 量測數據與比較改善前後的波形差異性 107
5.4.2.1 風輪為負載(1.11N-m)不具有PFC時的量測數據與波形 107
5.4.2.2 風輪為負載(1.11N-m)具有PFC時的量測數據與波形 110
5.4.2.3 分析結果 113
5.5 永磁同步馬達無量測直接向量控制型送風機系統實作測試 114
5.5.1 測試環境與設備 114
5.5.2 轉速與功率比較 115
5.5.3 結果分析 116
第六章 結論 118
6.1 結論 118
6.2 未來研究方向 119
參考文獻 120

[1] 維基百科, http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A9%BA%E6%B0%
A3%E8%AA%BF%E7%AF%80
[2] 張文澤，“空氣調節設備的認識”，行政院勞工委員會職業訓練局，民國90年。
[3] 中興電工, http://www.chem.com.tw/chemadmin/Resource/8919926c
-831c-4dcc-a07c-e16073b597b3.pdf
[4]林宏鐘，“室內送風機氣動噪音之研究與改善”，碩士論文，國立台灣師範大學機電科技學系，民國99年。
[5] B. N. Chaudhari and B. G. Fernandes, “Synchronous motor using ferrite magnets for general purpose energy efficient drive,” IEEE TENCON’99, pp. 371-374, Sep. 1999.
[6] TDK Corporation, “Ferrite magnet FB series”, http://www.tdk. co.jp/tefe02/e321.pdf, 2005.
[7]TDK Corporation, “Neodymium-Iron-Boron magnets neorec series”, http://www.tdk.co.jp/tefe02/e331.pdf, 2005.
[8] Florence Libert, “Design, Optimization and Comparison of Permanent Magnet Motors for a Low-Speed Direct-Driven Mixer, ” Royal institute of technology department of electrical engineering electrical machines and power electronics, Stockholm 2004.
[9] 孫清華 編譯，最新無刷直流馬達，全華科技圖書股份有限公司，2002。
[10] 趙貴祥 編譯，DC無刷電動機與控制電路，文笙書局股份有限公司，1995。
[11] T. Sabastial, G. R. Slemon, and M. A. Ranhman, “Modeling of permanent magnet synchronous motors,” IEEE Transactions on Magnetics, vol.22, no. 5, pp. 1069-1076, Sep. 1986.
[12] P. Pillay and R. Krishnan, “Modeling simulation and analysis of permanent magnet synchronous motor drives: the permanent magnet synchronous motor drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 25, no. 2, pp. 265-273, Mar./Apr. 1989.
[13]T. S. Radwan, M. A. Rahman, A. M. Osheiba, and A. E. Lashine, “Dynamics analysis of a high performance permanent magnet synchronous motor drive,” Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, pp. 611-614, May. 1996.
[14] 陳志成，“無轉軸偵測元件之無刷馬達驅動系統研製”，碩 士論文，國立中央大學電機工程學所，民國90年。
[15] J. S. Kim and S. K. Sul, “NEW stand-still position detection strategy for PMSM driver without rotational transducers,” IEEE APEC’94, pp.363-396, 1994.
[16] P. B. Schmidt, M. L. Gasperi, G. Ray and A. H. Wijenayake“Initial rotor angle detection of a non-salient pole permanent synchronous machine,” IEEE IAS’97, pp.459-463, 1997.
[17] R. Wu and G. R. Slemon, “A permanent magnet motor drive without a shaft sensor,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 27, no. 5, pp.1005-1011, 1991.
[18] A. B. Kulkarni and M. Ehsani, “A novel position sensor elimination technique for the interior permanent magnet synchronous motor drive,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 28, no. 1, pp. 144-150, 1992.
[19] S. Ostlund and M. Brokemper, “Initial rotor position detection for an integrated PM synchronous motor drive,” IEEE IAS’95, pp. 741-747, 1995.
[20] D. W. Chung, J. K. Kang and S. K. Sul, “Initial rotor position detection of PMSM at standstill without rotational transducer,” IEEE IEMD’99, pp. 785-787, 1999.
[21] S. Ogasawara and H. Akagi, “An approach to real-time position estimation at zero and low speed for a PM motor based on saliency,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 34, no. 1, pp. 163-168, 1998.
[22] T. Noguchi, K. Yamada, S. Kondo and I. Takahashi, “Initial rotor position estimation method of sensorless PM synchronous motor with no sensitivity to armature resistance,” IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 45, no. 1, pp. 118-125, 1998.
[23] M. J. Corley and R. D. Lorenz, “Rotor position and velocity estimation for a salient-pole permanent magnet synchronous machine at standstill and high speeds,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 34, no. 4, pp.784-789, 1998.
[24] R.Mizutani, T. Takeshita and N.Matsui, “Current model-based sensorless drives of salient-pole PMSM at low speed and standstill,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 34, no. 4, pp. 841-846, 1998.
[25] 張育源，“無刷值劉碼館測器驅動系統之研製”，碩士論文，國立中央大學電機工程系，民國91年。
[26] Z. Chen, M. Tomita, S. Doki, and S. Okuma, “An extended electromotive force model for sensorless control of interior permanent-magnet synchronous motor,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50, no. 2, pp. 288-295, Apr. 2003.
[27] N. Matsui, T. Takashita, and K. Yasuda, “A new sensorless drive of brushless DC motor,” IEEE IECON’92, pp.430-435, 1992.
[28] M. Schroedl, “Sensorless control of permanent magnet synchronous motor,” Electric Machines and Power Systems, vol.22, pp.173-185, 1994.
[29] B. Terzic and M. Jadric,” Design and implementation of the extended Kalman filter for the speed and rotor position estimation of brushless DC motor,” IEEE Trans. on industrial, vol.48, no.6, pp.1065-1073, 2001.
[30] S. Ogasawara and H. Akagi, “An approach to position sensorless drive for brushless DC motors,” IEEE Trans. Industry Applications, Vol.27 no.5, pp.928-933, 1991.
[31] T. H. Lin and C. P. Cheng, “Adaptive control for a sensorless permanent-magnet synchronous motor drive,” IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol.30, no.3, pp.900-909, 1994.
[32] N. Matsui, “Sensorless operation of brushless DC motor drive,”IEEE IECON’93, pp.739-744, 1993.
[33] 梁朝涵，“以微控器為基礎之無轉軸偵測永磁同步馬達驅動器的研製”，碩士論文，國立台北科技大學電機工程系，民國99年。
[34] 蘇奎峰、蔡朝權、呂強、張永謙，“TMS320X281X DSP應用系統設計”，北京航空航天大學出版社，民國97年。
[35] 劉昌煥，“交流電機控制”，三版，台灣東華書局，2005年9月。
[36] D.W. Novotny and T. A. Lipo, Vector Control and Dynamics of AC Drives, Clarendon Press, Oxford, 1996.
[37] 洪建昇，“直流無刷馬達驅正弦脈寬調變型驅動器研製”，碩士論文，國立勤益科技大學電機工程研究所，民國100年。
[38] 梁適安編譯，“高頻交換式電源供應器原理與設計”，第二版，全華書局。
[39] B. P. Divakar, and D. Suanto, “A New Boost Power Factor Pre-Regulator,” in Proc. IEEE PEDS’99, vol. 2, pp. 915-920, 1999.