臺灣博碩士論文加值系統

變頻器是一種電力電子裝置，將固定之電源電壓和頻率轉變為可變量，實現對三相交流馬達的無段調速控制。由於三相變頻器內的高速功率半導體元件在交流馬達驅動器變速扮演關鍵之角色，驅動器變速大多利用傳統的6個開關，3相變頻器。在過去大部份的研究中，主要地專注於發展驅動器為高性能驅動之有效控制運算法則，而元件之成本卻往之被忽略。因此，縮減功率半導體元件之數目在變頻器設計中可以當作減少成本主要的考慮。本論文中主要利用4個開關，3相交流來設計與製作一變頻器以控制永磁式線性同步馬達，由於所提出方式並非一般傳統之6個開關，3相變頻器，此將減少變頻器成本、交換損失、控制運算法則和介面電路所產生複雜之6個脈衝寬度調變邏輯訊號。本論文最後利用四個開關元件實現三相變頻器，並且展示其控制線性馬達之各個功能。

The inverter is a kind of power electronics device. The speed on position control of a inverter can be adjusted by using the power supply voltage and frequency to the variable quantitied. With the development of high speed power semiconductor devices three-phase inverters play the key role for variable speed ac motor drives. Six-switch, three-phase inverters have been widely utilized for variable speed drives. Most of the past research drives mainly concentrated on the development of the efficient control algorithms for high performance drives. However, the cost did not get that much attention to the researchers, thus, a reduction of the number of power semiconductors in the inverter should be a main consideration. On this, thesis 4-switches, 3-phase inverter is proposed to control the permanent magnetism synchronous linear motor (PMSLM). This reduces the cost of the inverter, the switching losses, and the complexity of the control algorithms and interface circuits to generate 6 Pulse width Modulated (PWM) logic signals, compared with the traditional six-switch three phase inverter. Finally, a four-switch three phase inverter is implemented and demonstrated in this thesis.

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻探討 2
1.3 研究動機與目的 7
1.4 研究範圍及限制 8
1.5 論文貢獻 9
1.6 論文架構 10
第二章 線性馬達基本原理 11
2.1 線性馬達簡介 11
2.2 線性馬達分類 14
2.3 線性馬達特性比較 16
2.4 線性同步馬達動作原理 18
2.5 線性同步馬達數學模式 19
2.6 梯形速度曲線 24
第三章 馬達驅動器基本原理 26
3.1 整流器與中間電路 27
3.2 變頻器 31
3.2.1 單相變頻器 31
3.2.2 三相變頻器 39
3.2.3 控制電路 58
第四章 線性馬達驅動器之硬體設計 61
4.1 電源供給電路 62
4.2 變頻器電路 64
4.3 訊號隔離電路與閘極電路 66
4.4 電流感測電路 68
4.5 數位訊號處理器(DSP)控制電路 70
第五章 系統軟體設計 78
5.1 系統程式初始化及直流準位補償 79
5.2 輸入命令脈波處理與迴授電流比較控制 81
5.3 PID控制 83
5.4 中斷副程式 92
第六章 實驗結果 93
6.1 電源供給電路測試 94
6.2 停滯帶(Dead Band)波形量測 96
6.3 訊號隔離與閘極電路測試 98
6.4 參考電壓準位電路量測 101
6.5 變頻器電路測試 102
6.6 三相電流相位測試 105
6.7 線性馬達速度測試 107
6.8 PID控制測試 101
第七章 結論與建議 115
附錄A 永磁式同步線性馬達之參數 118
附錄B 6N137特性資料 119
參考文獻 120






圖目錄
圖2.1 馬達轉子和定子切開攤平示意圖 13
圖2.2 線性馬達移動原理 13
圖2.3 平板狀線性馬達 16
圖2.4 圓筒狀線性馬達 16
圖2.5 線性永磁同步馬達驅動原理 18
圖2.6 線性永磁式交流伺服馬達模型 21
圖2.7 線性馬達系統方塊圖 24
圖2.8 梯形速度曲線 25
圖3.1 馬達驅動器架構圖 26
圖3.2 單相全波二極體橋式整流器模擬電路圖 28
圖3.3 單相全波二極體橋式整流器模擬波形圖 29
圖3.4 二極體與電容構成的橋式整流器模擬電路圖 30
圖3.5 二極體與電容構成的橋式整流器模擬波形圖 30
圖3.6 單極性電壓切換波形 32
圖3.7 單極性電壓切換變頻器模擬圖 33
圖3.8 模擬單極性閘極切換電壓 34
圖3.9 模擬單極性VAB之輸出電壓 35
圖3.10 雙極性電壓切換變頻器模擬圖 36
圖3.11 雙極性電壓切換波形 37
圖3.12 模擬雙極性閘極VG1電壓 38
圖3.13 模擬雙極性VAB之輸出電壓 39
圖3.14 三相變頻器模擬圖 40
圖3.15 三相方波電壓源變頻器的波形圖 41
圖3.16 三相方波電壓源變頻器閘極切換電壓 43
圖3.17 三相方波電壓源變頻器輸出電壓 43
圖3.18 不對稱規則取樣法產生SPWM波 45
圖3.19 模擬三相SPWM變頻器之閘極電壓波形 49
圖3.20 模擬三相SPWM變頻器之VAN波形 49
圖3.21 四段開關三相變頻器架構 50
圖3.21(a) T2，T4 ON之等效電路 51
圖3.21(b) T2，T3 ON之等效電路 51
圖3.21(c) T1，T3 ON之等效電路 52
圖3.21(d) T1，T3 ON之等效電路 52
圖3.22 四段開關三相變頻器之交換向量 53
圖3.23 四段開關三相變頻器模擬電路圖 55
圖3.24 三相方波原理模擬四段開關三相變頻器切換時序圖 56
圖3.25 三相方波原理模擬四段開關三相變頻器電壓波形 56
圖3.26 雙極電壓切換原理模擬四段開關三相變頻器之閘極電壓 57
圖3.27 雙極電壓切換原理模擬四段開關三相變頻器電流波形 58
圖3.28 不同設計及不同原理控制原理 59
圖3.29 DSP輸出控制訊號示意圖 60
圖4.1 系統硬體架構圖 61
圖4.2 變頻器主要供應電源 62
圖4.3 系統各細部功能之操作電源 63
圖4.4 變頻器電路 64
圖4.5 訊號隔離電路 66
圖4.6 閘極驅動電路 67
圖4.7 電流感測電路 69
圖4.8 對稱PWM波形 71
圖5.1 主程式流程圖 78
圖5.2 系統程式初始化流程圖 79
圖5.3 直流準位補償程式流程圖 80
圖5.4 輸入命令脈波處理流程圖 81
圖5.5 迴授電流比較程式 82
圖5.6 PID控制系統 84
圖5.7 ， 之輸入與輸出系統響應圖 87
圖5.8 ， 之輸入與輸出系統響應圖 88
圖5.9 ， 之輸入與輸出系統響應圖 88
圖5.10 閉迴路模擬方塊圖 90
圖5.11 線性馬達步階響應圖 90
圖5.12 PID控制流程圖 91
圖5.13 中斷副程式流程圖 92
圖6.1 線性馬達驅動器硬體 93
圖6.2 二極體與電容構成之橋式整流器波形圖 94
圖6.3 15V直流電壓 95
圖6.4 -15V與5V之直流電壓 96
圖6.5 DSP輸出之停滯帶波形 97
圖6.6 訊號隔離電路測試 98
圖6.7 MOSFET閘極輸入波形 99
圖6.8 MOSFET閘極輸入停滯帶訊號 100
圖6.9 參考電壓準位電路輸出波形 101
圖6.10 T2，T4 ON之電壓波形 102
圖6.11 T2，T3 ON之電壓波形 103
圖6.12 T1，T4 ON之電壓波形 104
圖6.13 T1，T3 ON之電壓波形 105
圖6.14 ia與ib之電流訊號 106
圖6.15 ib與ic之電流訊號 107
圖6.16 f=400Hz時之電流波形 108
圖6.17 f=800Hz時之電流波形 109
圖6.18 f=1kHz時之電流波形 110
圖6.19 四段開關之(A)命令電流與(B)迴授電流(KP=5000) 111
圖6.20 四段開關之(A)命令電流與(B)迴授電流(KP=6000) 112
圖6.21 四段開關之(A)命令電流與(B)迴授電流(Kp=8000) 112
圖6.22 傳統六段開關之(A)命令電流與(B)迴授電流(KP=5000) 113
圖6.23 傳統六段開關之(A)命令電流與(B)迴授電流(KP=6000) 114
圖6.24 傳統六段開關之(A)命令電流與(B)迴授電流(KP=8000) 114






表目錄
表1.1 變頻器架構之比較 6
表1.2 不同控制法則對馬達性能比較 6
表2.1 線性馬達分類 15
表2.2 線性馬達特性比較 17
表3.1 四段開關三相變頻器之電壓合成向量 54
表4.1 GP計時器x計數暫存器(x=1，2，3)位元規劃 72
表4.2 COMCON比較控制暫存器位元規劃 73
表4.3 ACTR完全比較動作暫存器位元規劃 74
表4.4 DBTCON停滯帶時間控制暫存器 75
表4.5 ADCTRL1控制功能暫存器 76
表4.6 ADCTRL2控制功能暫存器 77
表4.7 ADC資料暫存器ADCFIFO1與ADCFIFO2 77

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