臺灣博碩士論文加值系統

本論文基於滑動模式理論提出雙滑動模式控制器，並將此控制器應用於無轉軸量測器感應電動機向量控制系統中，利用此控制器之特點來改善感應電動機的轉速動態響應，降低向量控制系統對各種干擾的靈敏度，增加系統的強健性。
另外，本文亦提出以投影演算法為基礎的類神經速度估測器及類神經轉子電阻估測器，搭配降階型磁通估測器(Adaptive Pseudo-reduced-Order Flux Observer)，以調適感應電動機的參數變動。此外，本研究根據利亞普若夫定理及投影演算法來設計轉速估測器，完成感應電動機無轉速量測器之目的。
為了達到節能之目的本文亦提出高效率能量控制，使系統在穩態時能依據d、q軸電流比降低磁通電流，使馬達能穩定操作，同時提高效能。為了證明雙滑動模式控制器之強健性，將磁通估測器之轉子電阻值及定子電阻值同時增加30%作測試。實驗結果證明，雙滑動模式控制器除了對動態響應有明顯的改善外亦對系統參數變動具有良好的強健性。

Based on the sliding-mode control theory, this thesis studies the Twin Sliding Mode Controller (TSMC) design for the sensorless vector-controlled induction motor system. By taking the advantages of TSMC, the dynamic speed response is improved, the sensitivity of the system to disturbances is decreased, and the robustness is increased.
Moreover, based on Projection Algorithm, the neural network rotor and speed estimator is proposed, which is combined with the Adaptive Pseudo-Reduced-Order Flux Observer, for the vector-controlled system to adjust the parameter according to the variations of IM. Furthermore, the speed estimator is designed using the Lyapunov approach and the projection algorithm to increase the robustness of the system and attain the control objectives of sensorless vector-controlled induction motor drive.
To achieve the aim of power saving, this thesis proposes a high power efficiency control, which can reduce the flux current in steady state due to the d-q axis current ratio, to provide stable operation with high efficiency. In the testing condition that the speed range from 36 to 2000 rpm, the rotor and stator resistances are increased by 30% for the flux estimator to examine the robustness of TSMC. The experimental results show that the use of TSMC not only improves dynamic response but also has a good robustness property.

中文摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 內容大綱 2
第二章 雙滑動模式控制理論 3
2.1 前言 3
2.2 滑動模式控制理論介紹 4
2.3 順滑條件與迫近條件 5
2.4 滑動模式控制器的設計 6
2.5 線性系統之相位軌跡 10
2.6 雙滑動模式控制器設計 14
2.7 結語 21
第三章 感應電動機向量控制 22
3.1 前言 22
3.2 感應電動機數學模型 23
3.3 轉子磁場導向控制 25
3.4 結語 28
第四章 適應性類神經估測器設計 29
4.1 前言 29
4.2 參考模型適應控制系統 30
4.3 投影演算法 31
4.4 類神經比例積分控制器設計 32
4.5 適應性降階型磁通估測器 34
4.6 適應性類神經轉子電阻估測器 36
4.7 適應性電流型磁通估測器 38
4.8 適應性類神經轉速估測器 39
4.9 感應電動機高效能控制 42
4.10 結語 44
第五章 感應電動機向量控制實驗 45
5.1 系統設備介紹 45
5.2 雙滑動模式控制器向量控制系統實驗 47
5.3 結語 83
第六章 結論與建議 84
6.1 結論 84
6.2 建議 84
參考文獻 86
附錄A 符號彙編 89
附錄B 實驗設備圖片 90
作者簡介 91

表目錄

表5.1 馬達參數表 48
表5.2 轉速-轉矩表 68
表5.3 速度調整率(TL =8Nm) 69
表5.4 高效率能量控制於各負載下之功率損失( =1200rpm) 81
表5.5 高效率能量控制於各負載下之功率損失( =1800rpm) 82

圖目錄

圖2.1 二階系統模擬響應 5
圖2.2 變結構控制系統的結構圖 10
圖2.3 = =0之相位軌跡 11
圖2.4 =0， >0之相位軌跡 12
圖2.5 =0， <0之相位軌跡 12
圖2.6 < <0之相位軌跡 12
圖2.7 複數根且Re( )、Re( ) < 0之相位軌跡 13
圖2.8 複數根且Re( )、Re( ) > 0之相位軌跡 13
圖2.9 複數根且Re( )=Re( )=0， 之相位軌跡 13
圖2.10 複數根且 <0< 之相位軌跡 14
圖2.11 指數律到達模式 15
圖2.12 不同λ值之指數型到達模式 16
圖2.13 扇形區域滑動模式 18
圖2.14 扇形區滑動模式模擬 18
圖2.15 傳統滑動模式控制系統響應圖
(a) 相位軌跡 (b) x1及x2收斂軌跡 19
圖2.16 雙滑動模式控制系統響應圖
(a) 相位軌跡 (b) x1及x2收斂軌跡 20
圖3.1 向量控制參考座標圖 23
圖3.2 向量控制參考座標圖 25
圖3.3 轉子磁場導向控制解耦合方塊圖 28
圖4.1 MRAS架構圖 30
圖4.2 投影演算法幾何解析圖 32
圖4.3 類神經比例積分控制器(NNPIC)架構 33
圖4.4 適應性類神經轉子電阻估測器架構圖 37
圖4.5 轉子磁通示意圖 39
圖4.6 電流型轉子磁通估測器 38
圖4.7 適應性電流型磁通估測器 39
圖4.8 適應性轉速估測器 41
圖4.9 類神經轉速估測器 41
圖5.1 感應電動機硬體控制架構圖 46
圖5.2 驅動介面卡方塊圖 46
圖5.3 植入TSMC之感應電動機高效能磁場導向控制架構圖 47
圖5.4 適應性向量控制系統之動態響應( =1200rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速命令與實際轉速 (b) 轉速命令與估測轉速 (c) 實際誤差與估測誤差
(d) d軸磁通鏈 (e) q軸磁通鏈 (f) 磁通鏈 (g) 電流命令 (h) 電壓命令 (i)
轉矩命令 (j)相線電流 (k) 類神經轉子電阻估測值 (l) 類神經轉速估測器 值
(m) 類神經轉速估測器 值 (n) 類神經轉子電阻估測器 值
(o) 類神經轉子電阻估測器 值 (p) 同步座標下轉子d-q軸磁通鏈 50
圖5.5 適應性向量控制系統之動態響應( =1800rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 實際誤差與估測誤差 (c) 磁通鏈 (d) 轉矩命令 58
圖5.6 適應性向量控制系統之動態響應( =2000rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 實際誤差與估測誤差 (c) 磁通鏈 (d) 轉矩命令 60
圖5.7 適應性向量控制系統之動態響應( =600rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 實際誤差與估測誤差 (c) 磁通鏈 (d) 轉矩命令 62
圖5.8 適應性向量控制系統之動態響應( =200rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 實際誤差與估測誤差 (c) 磁通鏈 (d) 轉矩命令 64
圖5.9 適應性向量控制系統之動態響應( =36rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 實際誤差與估測誤差 (c) 磁通鏈 (d) 轉矩命令 66
圖5.10 轉速-轉矩特性圖 68
圖5.11 適應性向量控制系統之追蹤響應( = 1200rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速追蹤 (b) 實際誤差與估測誤差 (c) 轉矩命令 70
圖5.12 適應性向量控制系統之追蹤響應( =800-1200-800rpm，TL=8Nm)
(a) 轉速追蹤 (b) 實際誤差與估測誤差 (c) 轉矩命令 72
圖5.13 適應性向量控制系統之動態響應( 增加30％)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 實際誤差與估測誤差 73
圖5.14 適應性向量控制系統之動態響應( 及 增加30％)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 實際誤差與估測誤差 74
圖5.15 高效能適應性向量控制系統之動態響應( =1200rpm，TL=0Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 磁通鏈 (c) a相線電流 (d) 功率損失比較 75
圖5.16 高效能適應性向量控制系統之動態響應( =1200rpm，TL=2Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 磁通鏈 (c) a相線電流 (d) 功率損失比較 77
圖5.17 高效能適應性向量控制系統之動態響應( =1200rpm，TL=4Nm)
(a) 轉速命令與估測轉速 (b) 磁通鏈 (c) a相線電流 (d) 功率損失比較 79
圖5.18 高效率能量控制下之各負載節省功率曲線圖( =1200rpm) 81
圖5.19 高效率能量控制下之各負載節省功率曲線圖( =1800rpm) 82

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