# 臺灣博碩士論文加值系統

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 本文內容分為兩個部份，首先針對4極24槽內藏型永磁同步馬達進行磁路及有限元素分析，以驗證馬達之特性。利用二維有限元素軟體Maxwell 2D建立馬達之磁路分析模型，並使用數學運算軟體Matlab計算馬達之各項特性參數，且將上述兩項之結果與實際值進行比對。第二部份進行雙馬達之同步運動控制研究，利用兩具內藏型永磁同步馬達，配合TMS320F243數位訊號處理器(DSP)晶片為核心之運動控制卡與馬達驅動器作為基本實驗架構，先進行單軸馬達之系統鑑別，並找出雙軸馬達間系統轉移函數之差異性，進而設計出個別之PI控制器並適時加入控制策略，以達到馬達能同步運動之特性。
 The content of this article can be divided into two parts. At first, the 4 poles and 24 slots interior permanent magnet synchronous motor used in this article will be performed with magnetic flux and finite element analysis so as to verify the characteristics of the motor. Meanwhile, two dimensional finite element software Maxwell 2D will be used to construct the magnetic flux analysis model for the motor, and the mathematical calculation software Matlab will be used to calculate the characteristic parameters of the motor. Finally, the above two results will be compared to the experimental values.In the second part of this article, a study of synchronized motion control of the motor is performed; the basic experimental architecture consists of two interior permanent magnet synchronous motors and motion control card and motor driver with the core of TMS320F243 digital signal processor (DSP) chip. At first, it will be started with the system identification of single axis motor, then the difference of system transfer function of double axis motor will be found out. Furthermore, individual PI controller will be designed and control strategy will be added in appropriate time so as to achieve the synchronized motion characteristic of the motor.
 目錄封面內頁簽名頁授權書．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．iii中文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．iv英文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．v誌謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．vi目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．vii圖目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．x表目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．xiii第一章 序論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.1 研究動機．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.2 文獻回顧．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1.3 研究方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.4 內容綱要．．．．．．．．．．．．．．．．．．4第二章 永磁同步馬達之設計與分析．．．．．．．．．．．．6 2.1 前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 2.2 馬達材料簡介．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.2.1 永磁材料．．．．．．．．．．．．．．．．7 2.2.2 鐵心材料．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.3 永磁同步馬達設計原理．．．．．．．．．．．．11 2.3.1 馬達需求及條件．．．．．．．．．．．．．13 2.3.2 永磁同步馬達的轉子型態．．．．．．．．．14 2.3.3 轉子極數．．．．．．．．．．．．．．．．16 2.3.4 馬達之繞線設計．．．．．．．．．．．．．20 2.3.5馬達繞線之相電阻計算．．．．．．．．．．21 2.4 馬達基本特性分析．．．．．．．．．．．．．．22 2.4.1 馬達特性常數之定義．．．．．．．．．．．23 2.4.2 馬達特性常數之計算．．．．．．．．．．．24 2.5 內藏型永磁同步馬達之等效磁路分析換算．．．．26 2.5.1內藏型永磁同步馬達之特性介紹．．．．．．26 2.5.2 分析模型之介紹．．．．．．．．．．．．．27 2.5.3 磁氣參數計算．．．．．．．．．．．．．．31 2.5.4 電氣參數計算．．．．．．．．．．．．．．34 2.6 結果分析與討論．．．．．．．．．．．．．．．36 2.6.1 內藏型永磁同步馬達之計算結果．．．．．．36 2.6.2 有限元素軟體之應用．．．．．．．．．．．42第三章 同步運動控制之基本架構．．．．．．．．．．．．．51 3.1 直流伺服馬達之控制迴路．．．．．．．．．．．51 3.1.1 有刷式直流馬達控制迴路．．．．．．．．．51 3.1.2 無刷式直流無刷馬達控制迴路．．．．．．．52 3.2 硬體介紹與同步運動控制架構．．．．．．．．．54 3.2.1 硬體介紹．．．．．．．．．．．．．．．．54 3.2.2 同步運動控制架構之觀念．．．．．．．．．56 3.3 單軸控制之系統鑑別與增益值之設計．．．．．．64 3.3.1 馬達之電流開迴路系統鑑別．．．．．．．．66 3.4 個別迴路之模擬結果．．．．．．．．．．．．．71 3.4.1 X軸之模擬結果．．．．．．．．．．．．．72 3.4.2 Y軸之模擬結果．．．．．．．．．．．．．74 3.5 前饋位置控制迴路之設計．．．．．．．．．．．76第四章 同步運動控制之實驗結果．．．．．．．．．．．．．82 4.1 同步運動之位置控制．．．．．．．．．．．．．82 4.2同步運動之速度控制．．．．．．．．．．．．．．87第五章 結果與討論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．94參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．96符號說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．99附錄A：馬達參數計算之Matlab程式．．．．．．．．．．．103圖目錄圖2.1 軟磁材料之B-H磁化曲線．．．．．．．．．．．．．11圖2.2 永磁式無刷馬達之設計流程．．．．．．．．．．．．．12圖2.3 永磁同步馬達之各種轉子型．．．．．．．．．．．．．16圖2.4 4極24槽之內藏式永磁同步馬達平面圖．．．．．．．．18圖2.5 本文所使用之同步馬達外觀．．．．．．．．．．．．．18圖2.6 馬達之電樞繞組示意圖．．．．．．．．．．．．．．．21圖2.7 內藏型之直軸與交軸磁路示意圖．．．．．．．．．．．27圖2.8 馬達分析之磁通路徑圖．．．．．．．．．．．．．．．28圖2.9 馬達分析之等效磁路圖．．．．．．．．．．．．．．．29圖2.10 由圖2.9所簡化之等效磁路圖．．．．．．．．．．．29圖2.11 由圖2.10所簡化之等效磁路圖．．．．．．．．．．．30圖2.12 由定子槽尺寸所定義之卡特係數示意圖．．．．．．．32圖2.13 CSC_50CS600型矽鋼片之特性區線圖．．．．．．．．43圖2.14 NdFeB-N33H之減磁區線圖．．．．．．．．．．．．43圖2.15 馬達之網格切割示意圖．．．．．．．．．．．．．．44圖2.16 馬達之磁力線分布圖．．．．．．．．．．．．．．．44圖2.17 馬達之磁通密度分布圖．．．．．．．．．．．．．．45圖2.18 馬達之部份磁通密度圖．．．．．．．．．．．．．．46圖2.19 圍繞半徑為33.25mm之氣隙磁通密度圖．．．．．．．47圖2.20 磁石之磁通密度圖．．．．．．．．．．．．．．．．47圖2.21 頓動轉矩檢知器．．．．．．．．．．．．．．．．．49圖2.22 馬達之頓動轉矩檢知圖．．．．．．．．．．．．．．49圖2.23 馬達之線電感實測圖．．．．．．．．．．．．．．．50圖2.24 馬達在1000rpm下之反電動勢實測圖．．．．．．．．50圖3.1 有刷式直流馬達之伺服控制架構．．．．．．．．．．．52圖3.2 無刷式直流馬達之伺服控制架構．．．．．．．．．．．53圖3.3 單軸系統架構方塊圖．．．．．．．．．．．．．．．．54圖3.4 單軸馬達伺服系統．．．．．．．．．．．．．．．．．55圖3.5 DSP運動控制卡之插槽模組示意圖．．．．．．．．．．56圖3.6 交互耦合控制架構．．．．．．．．．．．．．．．．．59圖3.7 位置誤差 與各軸軌跡誤差Ex、Ey之幾何關係圖．．．．60圖3.8 Tandem同步運動控制架構．．．．．．．．．．．．．62圖3.9 電流平衡同步控制架構．．．．．．．．．．．．．．．63圖3.10 馬達系統之輸出響應型態．．．．．．．．．．．．．66圖3.11 電流閉迴路控制系統方塊．．．．．．．．．．．．．69圖3.12 X軸之電流開迴路輸出響應圖．．．．．．．．．．．73圖3.13 X軸之電流閉迴路輸出響應．．．．．．．．．．．．73圖3.14 X軸之速度閉迴路輸出響應．．．．．．．．．．．．74圖3.15 Y軸之電流開迴路輸出響應圖．．．．．．．．．．．75圖3.16 Y軸之電流閉迴路輸出響應圖．．．．．．．．．．．75圖3.17 Y軸之速度閉迴路輸出響應圖．．．．．．．．．．．76圖3.18 閉迴路位置控制方塊圖．．．．．．．．．．．．．．77圖3.19 加入前饋控制之位置控制方塊圖．．．．．．．．．．78圖3.20 馬達同步運動控制之數學架構．．．．．．．．．．．80圖3.21 同步運動控制之硬體架構．．．．．．．．．．．．．81圖3.22 同步運動控制之實體架構．．．．．．．．．．．．．81圖4.1 同步運動之控制架構．．．．．．．．．．．．．．．．83圖4.2 單軸位置控制架構．．．．．．．．．．．．．．．．．83圖4.3 (a)角度為45°之X軸同步位置控制輸出響應圖．．．．．84(b)角度為45°之Y軸同步位置控制輸出響應圖．．．．．84圖4.4 (a)角度為180°之X軸同步位置控制輸出響應圖．．．．85 (b)角度為180°之Y軸同步位置控制輸出響應圖．．．．85圖4.5 (a)角度為360°之X軸同步位置控制輸出響應圖．．．．86 (b)角度為360°之Y軸同步位置控制輸出響應圖．．．．86圖4.6單軸速度控制架構．．．．．．．．．．．．．．．．．88圖4.7 (a)速度為300rpm之X軸同步速度控制輸出響應圖．．．89(b)速度為300rpm之Y軸同步速度控制輸出響應圖．．．89圖4.8 (a)速度為600rpm之X軸同步速度控制輸出響應圖．．．90(b)速度為600rpm之Y軸同步速度控制輸出響應圖．．．90圖4.9 (a)速度為1000rpm之X軸同步速度控制輸出響應圖．．91 (b)速度為1000rpm之Y軸同步速度控制輸出響應圖．．91圖4.10 (a)速度為1300rpm之X軸同步速度控制輸出響應圖．．92(b)速度為1300rpm之Y軸同步速度控制輸出響應圖．．92圖4.11 (a)速度為1600rpm之X軸同步速度控制輸出響應圖．．93(b)速度為1600rpm之Y軸同步速度控制輸出響應圖．．93表目錄表2.1 各種永磁磁石材料、磁特性、物理特性之比較．．．．． 9表2.2 4極24槽永磁同步馬達之幾何參數．．．．．．．．． 19表2.3 永磁同步馬達之規格．．．．．．．．．．．．．．．． 19表2.4 馬達之繞線表．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 21表2.5 馬達特性常數與驅動器及效率之關係．．．．．．．．． 24表2.6 永磁同步馬達之計算值與實際值之比較．．．．．．．． 48表3.1 馬達控制參數表．．．．．．．．．．．．．．．．．． 71
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 1 [18]陳盛基,莊杰霖, “永磁無刷馬達設計與分析流程驗證”,機械月刊,第381期,

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