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研究生:江紘興
研究生(外文):Hung-Hsing Chiang
論文名稱:軸向氣隙永磁同步馬達之驅動控制
論文名稱(外文):On the Control of an Axial Flux Permanent Magnet Motor
指導教授:黃明熙
口試委員:賴炎生林法正
口試日期:2012-07-02
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:電機工程系研究所
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:72
中文關鍵詞:軸向氣隙永磁同步馬達線性霍爾元件頓轉矩
外文關鍵詞:AFPM motorLinear Hall-effect sensorsCogging torque
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為改善傳統以數位霍爾感測元件作為轉子磁場位置感測元件,於馬達啟動與低速運轉需用六步波驅動而造成振動與噪音過大之缺點,本文提出以三只線性霍爾元件量取轉子磁場位置之方法,並經由轉矩與低轉速控制一只軸向氣隙馬達,來驗證所提方法之有效性。本文將三只線性霍爾元件安置於馬達定子以量取轉子磁場位置,由於轉子磁石之磁通分布不均勻或因手工安置感測元件所造成安裝位置不精確等原因,使得線性霍爾元件輸出訊號存在轉子轉速頻率之次諧波與諧波成分,導致轉子磁場位置之量測不準確,為了得到一個更精確的轉子位置訊號,本文以軟體運算方式將所量測之訊號進行電氣諧波消除與峰值變動補償,使線性霍爾元件輸出訊號近似三相平衡之正弦波,如此,軸向氣隙永磁同步馬達於靜止啟動即可進入向量控制而大幅改善六步波驅動所衍生之問題。
為降低馬達頓轉矩,首先由模擬軟體分析軸向氣隙永磁同步馬達之頓轉矩,隨後以扭力計量取頓轉矩並與模擬資料進行驗證與修正,並提出以查表為基礎之頓轉矩補償方法並以實驗驗證該方法之有效性。另外,對軸向氣隙永磁同步馬達進行低轉速控制以分析有無頓轉矩補償對低速之影響。
最後,以數位訊號處理(TMS32028035)建構驅動器,以一只軸向氣隙永磁同步馬達作為載具,由軟體實現所提法則以驗證本文所提方法之有效性。


In order to reduce acoustic noise and vibration yielded by six-step voltage control for PMSM with digital hall-effect sensor as rotor flux-position sensor, this thesis presents a rotor magnetic flux position detection method with three linear hall- effect sensors and validates the proposed method on an AFPM motor through torque and low speed control. The linear hall-effect sensors are installed in stator to detect the rotor flux of AFPM motor. Duo to the uneven distribution of rotor flux or inaccurate installed positions of sensor by hand, the output signals of linear hall-effect sensors may exist sub harmonics and harmonics of rotor speed to cause inaccurately measured rotor flux position. In order to get more accuracy of rotor flux position, elimination of harmonics and mitigation of variable peak values are proposed to let the output signals of linear hall-effect sensors be nearly three-phase balanced sinusoidal signal by software. Hence, the AFPM motor can be operated from standstill using vector control to improve the defect caused from six-step voltage controlled method.
For cutting down cogging torque of AFPM motor, a simulated result of cogging torque is derived from JMAG first. Then, the simulated result will be confirmed and modified by actual test. Therefore, a cogging torque mitigation method based on look-up table is provided and validated by experimental results. Moreover, some low speed control tested results are carried out to show the effectiveness of the proposed cogging torque mitigation method.
Finally, a DSP MS320F28035-based motor drive is built to verify the effectiveness of the proposed methods on an AFPM motor.


摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2 用於輕型電動載具之馬達驅動系統 1
1.1.3研究動機 4
1.2 文獻探討 4
1.2.1線性霍爾元件 4
1.2.2頓轉矩與換相轉矩漣波 8
1.3 研究方法 8
1.4 論文大綱 9
第二章 永磁同步馬達之驅動原理分析 10
2.1 前言 10
2.2 永磁同步馬達之分類 10
2.3 永磁同步馬達之數學模式 11
2.3.1靜止框之主導方程式 11
2.3.2同步框之主導方程式 13
2.4 永磁同步馬達之驅動方式 14
2.4.1六步波驅動 15
2.4.2弦波驅動 15
2.5 電流控制模式 16
2.5.1 靜止框電流控制 16
2.5.2 同步框電流控制 17
2.6 用於永磁同步馬達之轉子位置感測元件 18
2.6.1 霍爾元件 18
2.6.2 數位霍爾元件之轉子角度與轉速估測法 19
2.6.2.1 數位霍爾元件之轉子角度估測 19
2.6.2.2 數位霍爾元件之轉速估測 20
2.6.3線性霍爾元件之轉子角度與轉速估測法 22
2.6.4增量型編碼器 23
2.6.5增量型編碼器之轉子角度與轉速計算法 23
2.6.5.1增量型編碼器之轉子角度計算法 23
2.6.5.2 增量型編碼器之轉速計算法 24
2.6.6結論 25
2.7 頓轉矩 26
第三章 永磁同步馬達驅動器設計與線性霍爾感測元件輸出訊號處理 30
3.1 前言 30
3.2 系統規格 30
3.3 驅動器硬體設計 31
3.3.1功率級設計 31
3.4 驅動器軟體設計 34
3.4.1電流控制器設計 34
3.4.2軟體架構 38
3.4.3軟體流程 39
3.5 線性霍爾元件輸出訊號處理 42
3.5.1線性霍爾元件輸出訊號之分析 42
3.5.2三次諧波與直流偏壓消除 43
3.5.3峰值變動改善 45
3.5.4 馬達轉子電氣角度之計算 49
第四章 測試結果 52
4.1 前言 52
4.2 實驗平台設置 52
4.3 不同轉子位置感測裝置實測結果 53
4.3.1電流控制實測結果 53
4.3.2速度控制實測結果 57
4.4 轉矩漣波補償 60
4.4.1 頓轉矩模擬與量測 60
4.4.2頓轉矩補償方法與實測結果 61
第五章 結論與未來展望 65
5.1 結論 65
5.2 未來展望 66
參考文獻 67
符號彙編 69


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