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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林哲玄
研究生(外文):Lin,Checung
論文名稱:以模糊向量控制與可程式系統晶片為基礎實現切換式磁阻馬達驅動器
論文名稱(外文):Implementation of Switched Reluctance Motor Drive Based on Fuzzy Vector Control and Programmable System on Chip
指導教授:莊子賢莊子賢引用關係
指導教授(外文):Chuang,Tzushien
口試委員:楊宗銘吳啟耀
口試委員(外文):Young,ChungmingWu,Chiyao
口試日期:2012-07-12
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:105
中文關鍵詞:切換式磁阻馬達向量控制法模糊速率控制可程式系統晶片
外文關鍵詞:Switched Reluctance MotorVector ControlFuzzy Speed ControlProgrammable System On Chip(PSOC)
相關次數:
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切換式磁阻馬達是雙凸極電機,沒有轉子線圈,亦無永久磁鐵,此外其結構簡單、成本低廉、並且擁有高的效率,這些亦是其主要的優點。然而馬達本身的磁特性為高度非線性,使得其轉矩漣波及噪音不可忽視,是造成其在產業應用上無法廣為普及的主因。
故本文提出「向量控制法」,用以改善馬達的轉矩漣波及噪音。另外,為提升系統性能,本文亦導入「模糊速率控制」,使系統速率響應快速並具抗拒外來干擾的強健特性。實驗結果證明:本文所提出的方法可以有效降低馬達的轉矩漣波與噪音,並提供快速的速率響應與抗拒負載變動的強健特性。
為了降低驅動器的製造成本與體積,本文也採用可程式系統晶片作為控制核心,並搭配周邊元件用以實現「切換式磁阻馬達驅動器」。

A switched reluctance motor (SRM) is a doubly salient machine; which has neither rotor windings nor permanent magnets. In addition, its main advantages include structural simplicity, low overhead, and high efficiency. However, the motor’s magnetic characteristic is non-linear, resulting in significant torque ripples and acoustic noise, so that limit the scope of its industrial applications.
This thesis proposes a vector control method that can improve SRM’s torque ripples and acoustic noise. Additionally, to improve system performance, this thesis also applies fuzzy speed control to obtain a fast and robust system speed response. Experimental results demonstrate this proposed method can effectively reduce the motor’s acoustic noise and torque ripple, as well as provide a fast dynamic response that is robust against load variations.
To reduce an SRM drive’s manufacturing cost and volume, this thesis implements the drive’s control core by using a programmable system-on-chip (PSOC) and periperal components.

明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書.........................i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書…………………………………ii
明志科技大學學位論文授權書..................................iii
誌謝..................................................... iv
摘要...................................................... v
Abstract..................................................vi
目錄......................................................vii
表目錄..................................................... x
圖目錄.................................................... xi
第一章 緒論.................................................1
1.1 研究背景................................................1
1.2 研究動機與目的...........................................3
1.3 論文大綱................................................4
第二章 切換式磁阻馬達控制原理..................................5
2.1 簡介....................................................5
2.2 切換式磁阻馬達結構介紹....................................5
2.3 切換式磁阻馬達之特性......................................7
2.3.1 切換式磁阻馬達的優點....................................7
2.3.2 切換式磁阻馬達的缺點....................................8
2.4 切換式磁阻馬達動作原理....................................8
2.5 切換式磁阻馬達數學模式...................................11
2.5.1 電壓方程式...........................................11
2.5.2 轉矩方程式...........................................12
2.6 磁場導向控制理論........................................13
2.6.1 參考座標.............................................14
2.7 座標轉換原理............................................16
2.8 向量控制法的原理.........................................20
2.9 切換磁阻馬達之轉子磁場導向控制.............................23
第三章 模糊控制系統...........................................27
3.1 前言....................................................27
3.2 模糊理論簡介.............................................27
3.3 模糊集合................................................28
3.4 模糊邏輯控制器之架構......................................29
3.4.1 模糊化................................................30
3.4.2 知識庫................................................30
3.4.3 模糊決策單元...........................................32
3.4.4 解模糊化..............................................34
3.5 模糊速率控制.............................................35
第四章 軟/硬體電路與模糊速率控制器製作..........................37
4.1 前言....................................................37
4.2 系統架構簡介.............................................37
4.3 硬體電路製作.............................................41
4.3.1 霍爾電流感測電路.......................................41
4.3.2 準位調整電路...........................................42
4.3.3 相電流誤差放大電路......................................42
4.3.4 延遲電路設計...........................................43
4.3.5 過電流保護電路.........................................46
4.3.6 頻率轉電壓(F/V)電路設計................................47
4.3.7 光耦合隔離電路.........................................48
4.3.8 變頻器電路.............................................49
4.4 軟體規劃.................................................50
4.4.1 PSOC5系統晶片(CY8C55AXI-060ES1)介紹.....................50
4.4.2 PSOC5開發環境介紹.......................................52
4.4.3 PSOC5實現三相定子電流信號................................53
4.4.4 PSOC5實現三角載波信號...................................55
4.4.5 相電流誤差調變..........................................57
4.4.6 整體程式與系統規劃......................................59
4.5 模糊速率控制器設計規劃....................................62
4.5.1 M8C處理器之PSOC5介紹...................................62
4.5.2 PSOC5 (CY8C27443)之發展環境介紹........................63
4.5.3 PSOC5結合模糊速率控制之晶片設計..........................64
第五章 實驗結果...............................................69
5.1 實驗平台架設與介紹........................................69
5.2 實驗結果.................................................71
第六章 結論與未來研究方向......................................84
6.1 結論....................................................85
6.2 未來研究方向.............................................85
參考文獻....................................................86
表目錄
表1.1感應馬達、永磁同步馬達及切換式磁阻馬達特性比較...............2
表3.1模糊語言變數之表示法.....................................30
表4.1編碼器規格表............................................40
表4.2 74LS245之真值表.......................................46
表4.3 Rule Base............................................65
表5.1 切換式磁阻馬達之規格....................................70
圖目錄
圖 2.1 三相6/4極切換式磁阻馬達結構圖............................6
圖 2.2 三相6/4極切換式磁阻馬達實體圖............................6
圖 2.3 磁阻力產生原理.........................................9
圖 2.4 切換式磁阻馬達動作原理示意圖............................10
圖 2.5 切換式磁阻馬達動作原理示意圖............................11
圖 2.6 a-b-c軸與d-q軸向量關係圖..............................14
圖 2.7 Clarke轉換在向量空間之表示圖...........................16
圖 2.8 Clarke轉換之示意圖....................................17
圖 2.9 Clarke逆轉換之示意圖..................................18
圖 2.10 Park轉換之向量空間表示圖..............................19
圖 2.11 Park轉換之示意圖.....................................20
圖 2.12 Park逆轉換之示意圖...................................20
圖 3.1 模糊邏輯控制器基本架構圖...............................29
圖 3.2 歸屬函數形式..........................................31
圖 3.3 模糊推論過程..........................................33
圖 3.4 模糊速率控制系統方塊圖.................................36
圖 4.1 6/4極切換式磁阻馬達驅動器系統架構圖.....................38
圖 4.2 切換式磁阻馬達驅動器實體影像圖..........................40
圖 4.3 三相相電流回授電路圖...................................41
圖 4.4 霍爾電流感測元件電路圖.................................41
圖 4.5 準位調整電路圖........................................42
圖 4.6 三相相電流回授放大電路圖...............................43
圖 4.7 延遲電路時序圖........................................44
圖 4.8 延遲電路圖...........................................45
圖 4.9 延遲信號波形圖........................................45
圖 4.10 過電流保護電路圖.....................................46
圖 4.11 頻率轉電壓方塊圖.....................................47
圖 4.12 頻率轉電壓電路圖.....................................48
圖 4.13 光耦合隔離驅動電路圖.................................48
圖 4.14 三相變頻器電路圖.....................................49
圖 4.15 PSOC5(CY8C5588AXI-060ES1)系統內部架構圖..............51
圖 4.16 PSoC Creator環境介面圖..............................52
圖 4.17 命令電流訊號產生說明圖...............................53
圖 4.18 PSOC5內部三相電流命令訊號架構圖.......................54
圖 4.19 PSOC5內部產生三相命令正弦波訊號波形圖..................55
圖4.20 三角載波訊號產生說明圖.................................56
圖 4.21 PSOC5內部產生7.8KHz三角載波訊號架構圖..................56
圖 4.22 PSOC5內部產生7.8KHz三角載波訊號波形圖..................56
圖 4.23 PSOC5內部相電流誤差調變架構圖..........................57
圖 4.24 U相電流誤差、三角載波、及U相PWM信號波形圖...............57
圖 4.25 三相變頻器上臂開關之邏輯驅動信號圖......................58
圖 4.26 三相變頻器下臂開關之邏輯驅動信號圖......................58
圖 4.27 程式動作流程圖.......................................59
圖 4.28 PSOC5內部實現驅動器控制系統之架構圖....................60
圖 4.29 PSOC5 I/O腳位編輯規劃介面圖.........................61
圖 4.30 PSOC5時脈編輯規劃介面圖.............................61
圖 4.31 PSOC5(CY8C27443)之內部架構圖........................63
圖 4.32 PSOC Designer系統建構介面圖.........................64
圖 4.33 輸入歸屬函數規劃圖...................................65
圖 4.34 輸出歸屬函數規劃....................................66
圖 4.35 PSOC5內部模糊速率控制說明圖..........................67
圖 4.36 PSOC5(CY8C27443)晶片整體程式動作流程圖...............67
圖 4.37 PSOC5內部模糊速率控制建構介面圖.......................68
圖 4.38 PSOC5內部I/O腳位規劃介面圖...........................68
圖 5.1 電力設備影像圖.......................................69
圖 5.2 切換式磁阻馬達與驅動器架設圖...........................70
圖 5.3 負載12kg-cm下,運轉於1000rpm之命令相電流、實際相電流、轉速、轉矩與電流誤差................71
圖 5.4 負載12kg-cm下,運轉於2000rpm之命令相電流、實際相電流、轉速、轉矩與電流誤差................72
圖 5.5 空載下,運轉於1000rpm之相電流與相電壓波形..............................................73
圖 5.6 空載下,運轉於2000rpm之相電流與相電壓波形..............................................73
圖 5.7 空載下,運轉於2500rpm之相電流與相電壓波形..............................................74
圖 5.8 負載12kg-cm下,運轉於1000rpm之相電流與相電壓波形...............................74
圖 5.9 負載12kg-cm下,運轉於2000rpm之相電流與相電壓波形................................75
圖 5.10 負載12kg-cm下,運轉於2500rpm之相電流與相電壓波形..............................75
圖 5.11 負載12kg-cm下,運轉於1000rpm之相電流、相電壓、轉軸轉速和轉軸扭矩波形.............76
圖 5.12 負載12kg-cm下,運轉於2000rpm之相電流、相電壓、轉軸轉速和轉軸扭矩波形.............76
圖 5.13 負載12kg-cm下,速率由200rpm提升至2000rpm之動態響應....................77
圖 5.14 負載12kg-cm下,速率由2000rpm降速至200rpm之動態響應....................77
圖 5.15 空載下馬達運轉於各轉速之噪音頻譜圖.....................................78
圖 5.16 負載12kg-cm下馬達運轉於各轉速之噪音頻譜圖..............................79
圖 5.17 運轉於2000rpm時,負載干擾下的速率響應性能..............................80
圖 5.18 無載下,瞬間將轉速從350rpm提升至1500rpm之速率響應圖.....................81
圖 5.19 負載12kg-cm下,瞬間將轉速從350rpm提升至1500rpm之速率響應圖....81
圖 5.20 無載下,瞬間將轉速從350rpm提升至2200rpm之速率響應圖.................82
圖 5.21 負載12kg-cm下,瞬間將轉速從350rpm提升至2200rpm之速率響應圖...82
圖 5.22 無載下,瞬間將轉速從350rpm提升至2600rpm之速率響應圖.................83
圖 5.23 負載12kg-cm下,瞬間將轉速從350rpm提升至2600rpm之速率響應圖....83










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