臺灣博碩士論文加值系統

摘要

生產自動化的大幅成長使得高性能伺服應用不斷增加。為滿足日益提高對產品品質及生產力的需求，機器人和其他客製化形式的自動化應用也在持續成長。運動控制幾乎是所有自動化的基本需求。由於感應馬達具有結構簡單、維修容易、可靠性高及可長時間操作等優點，使得它被廣泛地使用於工業界，做為一般機構的動力來源。

本報告的目的即是對感應馬達運動控制技術作深入淺出之探討。內容包含:使用模組元件來設計控制系統的步驟與方法、探討感應馬達其三相座標與二軸垂直座標系統間的轉換並推導其數學模式、介紹感應馬達的向量控制理論和變頻器的原理，最後則是針對基本運動控制系統之需求做介紹。希望能以感應馬達的基本數學模式與控制原理為基礎，並實際應用這些技術，達到建立自主設計製作感應馬達向量控制的能力。藉此更希望能對往後感應馬達運動控制系統之研究有所助益。

Abstract

The large growth of production automation leads to continuous high performance server application. To meet increasingly higher demand on quality and productivity, demand of robots and other customized automation application is also increasing. Motion control is the basic requirement of almost all automation. With advantages of simple structure, easy maintenance, high dependability and long-time operation, induction motors have been widely used in industries as the source of power for general machines.

The purpose of this report is to give profound discussion in simple language on motion control of induction motors. The article includes: step method of using module components to design control system, exploration on induction motors’ con version of three-phase coordinates and two-axis vertical coordinates system to generalize the mathematic model, introduction of vector control theories of induction motors and principles of inverters and introduction of basic motion control system. The researcher hopes to, with the foundation of basic mathematic model of induction motors and control principles with actual application of these technologies, establish self-design of manufacture of induction motors’ vector control capability and help studies on future researches on motion control system of induction motors.

目 錄

摘要…………………………………………………………………………...Ⅰ
Abstract .............................................................................................................II
誌謝……………………………...……………………………………………III
目錄……………………………………………………………………..…….IV
圖目錄…………………………………………………………………….….VII
表目錄………………………………………………………………...……....IX
符號說明…………………...........................................................................….X
縮寫說明..........................................................................................................XII

第一章 緒論…………………………………………………………………...1
1.1 簡介…………………………………………………………………1
1.2 研究動機與目的……………………………………………………3
1.3 論文大綱……………………………………………………………4

第二章 運動控制系統的基本元件與選用…………………………………...6
2.1 前言…………………………………………………………………6
2.2 運動控制系統組成元件……………………………………………6
2.3 定義系統規格……………………………………………………..10
2.4 運動控制系統元件篩選…………………………………………..11
2.4.1 馬達的篩選………………………………………………...11
2.4.2 放大器的篩選…………………………………………...…13
2.4.3 編碼器的篩選……………………………………………...13
2.4.4 控制器的篩選……………………………………………...14
2.5 連接運動控制系統各個組成元件………………………………..15
2.6 運動控制系統性能最佳化………………………………………..15
2.7 運動控制系統設計範例…………………………………………..17
2.7.1 步驟1－定義系統規格……………………………………..17
2.7.2 步驟2－決定馬達尺寸……………………………………..18
2.7.3 步驟3－決定放大器尺寸…………………………………..20
2.7.4 步驟4－選擇編碼器分辨率………………………………..20
2.7.5 步驟5－篩選控制器………………………………………..20
2.7.6 步驟6－連接各元件………………………………………..20
2.7.7 步驟7－性能最佳化………………………………………..21
2.7.8 步驟8－為運動輪廓設計程式…………………….……….21
2.8 運動控制系統的基本元件與選用之結論………………………..22

第三章 感應馬達向量控制數學模式簡介………………………………….23
3.1 前言………………………………..……………………………..23
3.2 向量控制原理…………………………………………..………..25
3.3 向量控制的座標轉換……………………………………………27
3.3.1 三相座標與二軸座標轉換……………………………….30
3.3.2 二維座標間的轉換……………………………………….34
3.4 感應馬達空間向量動態數學模式………………………………36
3.4.1 感應馬達二軸動態數學模式…………………………….38
3.5 感應馬達向量控制數學模式簡介之結論………………………40

第四章 感應馬達磁場導向控制原理……………………………………….41
4.1 前言……………………………………………………………..41
4.2 向量控制原理…………………………………………………..42
4.2.1 間接式磁場導向控制…………………………………...45
4.2.2 直接式磁場導向控制.......................................................46
4.3 變頻器與波寬調變原理……......................................................47
4.3.1 SPWM VSI (正弦脈波寬度調變電壓源變頻器) ……... 47
4.3.2 CRPWM VSI (電流控制脈波寬度調變電壓源變頻器).50
4.4 感應馬達磁場導向控制原理之結論…………………………..51

第五章 基本運動控制系統之需求.................................................................52
5.1 前言……………………………………......................................52
5.2 採用FO-IM的傳統工業標準作法之數位運動控制.................52
5.3 採用FO-IM的狀態變數-數位運動控制....................................54
5.4 磁場導向感應馬達的狀態變數運動控制-零追蹤誤差.............55
5.5 採用FO-IM的運動控制回饋感測器課題…………………….56
5.6 估測器回饋之感應馬達磁場導向相關課題…………………..57
5.7 採用感應馬達磁場導向並加上加速度回饋的狀態變數-數位運動控制………………………………………………………….59
5.8 感應馬達磁場導向運動控制需求之結論……………………..60

第六章 結論及未來發展方向……………………………………………….61
6.1 結論……………………………………………………………..61
6.2 未來發展方向………………………..…………………………61
參考文獻……………………………………………………………………...62



















圖目錄

圖2.1 運動控制的功能要件圖………………………………………………7
圖2.2 運動控制轉移函數方塊圖……………………………………………9
圖2.3 運動控制系統馬達的速度及位置輪廓圖…………………………..11
圖2.4 運動控制系統步階響應圖…………………………………………..16
圖2.5 運動控制系統速度輪廓圖…………………………………………..17
圖2.6 運動控制系統互連圖………………………………………………..21
圖3.1 感應馬達的定子結構圖……………………………………………..23
圖3.2 感應馬達的鼠籠式轉子結構圖……………………………………..24
圖3.3 感應馬達的繞線式轉子結構圖……………………………………..24
圖3.4 分激式直流馬達示意圖……………………………………………..25
圖3.5 分激式直流馬達控制方塊圖………………………………………..25
圖3.6 鼠籠式感應馬達機械結構圖………………………………………..27
圖3.7 靜止參考座標圖…………………………………..............................28
圖3.8 三相座標與 軸座標間的轉換關係圖………………………….30
圖3.9 二維座標關係圖………………………………………………….….34
圖4.1 分激式直流馬達的轉矩控制示意圖………………………….…….42
圖4.2 感應馬達的磁場導向控制示意圖…………………………………..43
圖4.3 感應馬達向量控制原理圖……………………………………….….43
圖4.4 一般情況下之轉子磁場導向控制向量圖…………………………..44
圖4.5 理想的轉子磁場導向控制向量圖…………………………………..45
圖4.6 運用間接式轉子磁場導向控制下的感應馬達速度控制架構圖…..46
圖4.7 運用直接式轉子磁場導向控制下的感應馬達速度控制架構圖…..47
圖4.8 單臂SPWM 電壓源變頻器圖……………………………….……..48
圖4.9 單臂SPWM 的調變原理圖…………………………………….…..49
圖4.10 應用於三相感應馬達上的SPWM 電壓源變頻器圖………….…..49
圖4.11 單臂磁滯電流控制電壓源變頻器圖…………………………….….50
圖4.12 單臂磁滯電流控制脈波寬度調變的動作原理圖……………….….50
圖4.13 應用於三相感應馬達上的CRPWM 電壓源變頻器圖……….…...51
圖5.1 產業界典型使用之磁場導向感應馬達運動控制器圖….………….53
圖5.2 磁場導向感應馬達的狀態變數運動控制器(增量格式)圖………..54
圖5.3 採用FO-IM的狀態變數-數位運動控制的動態剛性圖…………...55
圖5.4 採用FO-IM的零追蹤誤差狀態變數運動控制器圖…………....…..55
圖5.5 零遲滯、高解析度、閉迴路速度估測器圖…………………….…..57
圖5.6 估測器參數錯誤敏感度與輸入頻寬fb之關係圖……………….….58
圖5.7 採用FO-IM、估測器之運動控制圖………………………………...58
圖5.8 採用FO-IM、估測器及加速度回饋之運動控制圖………………...59
圖5.9 採用FO-IM及加速度回饋運動控制之動態剛性圖………………..59
圖5.10 採用FO-IM之零遲滯、閉迴路加速度估測器圖…………………..60






















表目錄

表 2.1 定義系統規格的標準表……………………….…………………...10
表 2.2 系統規格與所需要的適當控制器表………………………………15
表 2.3 針對範例所定義的系統規格標準表………………………………17
表 3.1 直流馬達與交流馬達轉速控制比較表……………………………26
表 3.2 直流馬達與交流馬達轉速控制差異比較表………………………26

參考文獻


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