臺灣博碩士論文加值系統

本論文以多維量化回授調變(MDFQM)作為理論設計基礎，發展出全新的三相馬達調變技術來控制三相永磁同步馬達，本論文所提出的方法有別於目前廣泛使用的空間向量調變(SVPWM)，即由基本空間向量組合出三相輸入電壓的做法，而是在受限的切換向量空間中，計算出最佳化的切換向量，使得所測量到的量化誤差達至最小。同時因為此量化誤差經低通濾波，對參考訊號追蹤誤差產生雜訊塑形(Noise Shaping)的效果。本方法經二維投影後實現所需之計算簡單，因此本論文將其以軟體實現於低成本之16位元微控器中，實驗的比較項目包括穩態速度漣波、輸出訊號之切換次數、以及功率電晶體之工作表面溫度變化。實驗證明MDFQM相較於SVPWM，在同樣的速度控制誤差情況下具有較低之切換次數，這使得系統減少切換損失以及功率電晶體之熱消耗，提升控制效率以及增加驅動級電路的可靠度與壽命。

This thesis proposes a novel control method for three phase permanent magnet synchronous motor using multi-dimensional feedback quantization modulation (MDFQM). Unlike the conventional space vector pulse width modulation (SVPWM) which achieves three phase input voltage by a combination of the basic space vectors, the proposed scheme computes optimal switching commands to minimize the filtered measure of quantization error under the constrained switching vector space. Further, the filtered quantization error feedback produces the effect of noise shaping. The computation effort of this method can be reduced via a 2-D projection. Therefore, an implementation on a 16-bit microcontroller is demonstrated in this thesis. Comparisons with SVPWM on steady-state speed ripple, switching number and the surface temperature of MOSFETs are conducted. The results show that MDFQM reduces the switching number and the heat dissipation of MOSFETs without increasing the speed ripple. This will enhance the control efficiency and increase the reliability and life of the power stage circuit.

第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目標 3
1.3 本論文的貢獻 3
1.4 論文架構 4
第二章 永磁同步馬達介紹 5
2.1 前言 5
2.2 永磁同步馬達結構特性 5
2.3 永磁同步馬達之數學模型 6
2.4 永磁同步馬達之向量控制 8
2.4.1 開關電路組態結構 11
2.4.2 靜止三相與靜止兩軸之座標轉換 12
2.4.3 靜止兩軸與同步旋轉之座標轉換 14
第三章 空間向量脈寬調變 15
3.1 前言 15
3.2 空間向量脈寬調變原理 16
3.2.1 空間向量的定義 16
3.2.2 基本電壓空間向量 17
3.2.3 空間向量合成與分析 19
第四章 多維量化回授調變 22
4.1 前言 22
4.2 多維量化回授調變原理 22
4.2.1 多維度量化器定義 24
4.2.2 失真誤差之最佳化 25
4.2.3 三維量化器之降階轉換 26
4.3 設計範例 28
4.3.1 一階濾波對角矩陣 28
第五章 系統發展環境與架構 32
5.1 前言 32
5.2 硬體系統架構 33
5.2.1 dsPICDEM MCLV 發展平台 33
5.2.2 與電腦連接之通訊介面 36
5.2.3 三相永磁同步馬達 36
5.3 軟體系統架構 39
5.3.1 軟體發展環境 39
5.3.2 程式整體架構 40
5.3.3 回授訊號處理 40
5.3.4 座標轉換 42
5.3.5 PI控制器 43
5.3.6 多維量化回授調變之實現流程 45
第六章 實驗結果與比較 46
6.1 前言 46
6.2 輸出級電壓量測 47
6.3 穩態電流漣波實驗 48
6.3.1 開迴路模式下SVPWM之電流回授響應 48
6.3.2 開迴路模式下MDFQM之電流回授響應 51
6.3.3 電流回授響應整理與比較 53
6.4 穩態速度漣波實驗 53
6.5 切換次數實驗 54
6.6 功率電晶體之工作表面溫度響應實驗 56
第七章 結論 62
參考文獻 63

[1] CEC, 2002.2002-2012 Electricity Outlook Report, California Energy Commission
[2] Website: http://www.emotron.com/en/energy-saving/
[3] C.C. Chan and Y.S. Wong, “Electric Vehicles Charge Forward,” IEEE Power and Energy Magazine, Volume 2, Issue 6, Nov.-Dec., Page(s):24 - 33 2004.
[4] P. Vas, “Vector Control of AC Machines,” Clarendon Press Oxford, 1990.
[5] B. J. Arnet and J. P. Deyst, “Distribution of space-vector PWM conduction losses,” USA Patent No. 0,044,472 A1, Apr. 2002
[6] Z.J. Shen, Y. Xiong, X. Cheng, Y Fu and P. Kumar, “Power MOSFET switching loss analysis: a new insight,” 41st IAS Annual Meeting Industrial Application Conference, pp. 1438-1442, 8-12 Oct. 2006.
[7] Z. Keliang and W. Danwei, “Relationship between space-vector modulation and three-phase carrier-based PWM: A comprehensive analysis,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 1,Feb. 2002, pp. 196-196.
[8] J. S. Hu and K. Y. Chen, “Multi-dimensional feedback quantization modulator applied to the control of voltage source inverter,” IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2009.
[9] J. S. Hu, K. Y. Chen, T. Y. Shen and C. H. Tang, “Control of Voltage Source Inverter using Multi-dimensional Feedback Quantization Modulator,” in press, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010.
[10] D.E. Quevedo and G.C. Goodwin, “Audio quantization from a receding horizon control perspective,” American Control Conference, 2003. Proceedings of the 2003, Volume 5, Page(s):4131-4136 vol.5, 4-6 June 2003.
[11] A.Gersho and R.M.Gray, “Vector Quantization and Signal Compression,” Kluwer Academic, 1992.
[12] D. E. Quevedo and G. C. Goodwin, “Multi-step optimal analog-to-digital conversion,” IEEE Trans. Circuits and Systems I, Regular Papers, vol. 52, pp503-505, March 2005.
[13] J. S. Hu and K. Y. Chen, “A novel switch mode amplifier design for actuator array using MIMO optimal feedback quantization,” 2007 American Control Conference, pp. 2612-2617, New York, USA. July 11-13, 2007.
[14] 王士豪，“以FPGA為基礎之無刷直流馬達驅動器設計與製作”，南台科技大學，碩士論文，2004。
[15] 范存堯，“永磁同步馬達位置控制之FPGA晶片研製”，國立交通大學電機與控制工程研究所，碩士論文，2005。
[16] 吳錦長，“空間向量調變暨柔性切換之換流器設計”，國立交通大學電機與控制工程研究所，碩士論文，1999。
[17] Mohan, Ned., “Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3rd edition”, John Wiley & Sons, c2003.
[18] 曾百由編著，“數位訊號控制器原理與應用”，宏友圖書開發股份有限公司，2009 年12月。
[19] Microchip “AN1078 Sensorless Field Oriented Control of a PMSM – Application Notes”, 2010. Website﹕http://www.microchip.com/
[20] Microchip “AN1078 Tuning Procedure ReadMe”, 2009. Website﹕http://www.microchip.com/
[21] Microchip “DS70331A dsPICDEMTM MCLV Development Board User’s Guide”, 2008. Website﹕http://www.microchip.com/