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研究生:賴宥丞
研究生(外文):You-Cheng Lai
論文名稱:永磁式交流伺服馬達向量控制驅動器設計與應用之研究
論文名稱(外文):The Study of Vector Controller Design and Application for Permanent Magnet Synchronous Motor
指導教授:洪清寶
指導教授(外文):Chin-Pao Hung
學位類別:碩士
校院名稱:國立勤益科技大學
系所名稱:電機工程系
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:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:115
中文關鍵詞:永磁同步馬達向量控制滑動模式估測器空間向量脈寬調變
外文關鍵詞:permanent magnet synchronous motorsPMSMvector controlsliding mode estimatorSVPWM
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本論文主要提出針對永磁同步馬達之向量控制驅動器設計,向量控制原先是針對感應馬達控制所提出之控制技術,發展至今已經可以應用在各種交流馬達上,如永磁式同步馬達、切換式磁阻馬達等。永磁式同步馬達為目前伺服及驅動常用的一種馬達,永磁式同步馬達效率高具有結構強建、功率密度高、散熱佳、轉矩/慣量比大等優點。向量控制又可分為兩種;分別是使用感測器獲得轉子位置或轉速的間接向量控制,及利用回授馬達電氣參數,如定子電流及電壓經由電機等效模型運算估測馬達轉子角度位置和速度之直接向量控制。
在間接向量控制部分,本論文所設計之交流伺服驅動器,係藉由AD2S1205 12位元R/D旋轉變壓器解角晶片來檢測轉子位置,接著利用座標轉換來實現永磁同步馬達的轉矩、速度、及位置迴路控制。而在直接向量控制部分,本論文亦利用無感測向量控制架構,以滑動模式估測器來估測轉子位置,只需回授永磁同步馬達的定子電流、電壓用來對數位化電機模型進行反電勢波形誤差修正,使估算電流與測量電流相同為目標。滑動模式控制器根據估測電流誤差及估測角速度來修正滑動模式估測器的校正因數可以增加估測器的強健性。
本論文所開發之驅動器,並一體整合控制核心、驅動器、及解角專用晶片於單一電路板,且實際應用於低電壓大電流之永磁式交流伺服馬達控制,實驗結果證明了本論文所建構交流伺服驅動器控制,在直接及間接向量控制,均可達到快速的動態響應,並能符合精密運動控制需求。

This thesis presents a vector controller design and application for permanent magnet synchronous motor (PMSM). Vector control technology was originally proposed for the induction motor control. Studies so far it can be used in various AC motors, such as PMSM, and switched reluctance motor (SRM). PMSM has many advantages including strong structure, high power density, good heat dissipation, and high torque/inertia ratio. Therefore, PMSM is now the commonly used motors. Generally vector control can be divided into two types. One is called indirect control which uses sensor to obtain the rotor position and according to switch the control signal. Another one is called direct control which estimates the rotor position to generate the control signal by the feedback stator current and voltage.
In the indirect control part, this thesis uses AD2S1205 resolver-to-digital (R/D) converter to detect the rotor position and to implement the torque, velocity, and position loop control by coordinator transformation scheme. Another direct control part, this thesis proposed sliding mode observer to estimate the stator current and voltage and according to modify the electromotive force waveform. Therefore, the robust sensorless control scheme can be achieved.
In order to implement the control objective, this thesis develops a single control board which integrates a microcontroller, a driver circuit, and an R/D circuit to benefit real application. Applied the developed control board to drive the low voltage large current PMSM servo control, the experimental results demonstrate the response speed and precision can be achieved no matter direct or indirect scheme.

中文摘要 I
英文摘要 III
誌謝 V
目錄 VI
表目錄 X
圖目錄 XI
符號列表 XIV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 內容大綱 5
第二章 永磁同步馬達原理與控制架構 7
2.1 永磁同步馬達介紹 7
2.2 永磁同步馬達數學模型推導 9
2.3 座標轉換 13
2.3.1 三相靜止座標與兩軸任意旋轉座標之轉換 15
2.3.2 兩軸座標間的轉換 16
2.4 永磁同步馬達的二軸模式 18
2.5 電壓空間向量波寬調變策略 19
第三章 永磁同步馬達之向量控制 32
3.1 向量控制原理 32
3.2 間接向量控制 34
3.2.1 轉子磁通導向原理 34
3.3 具有轉子感測器的向量控制架構 36
3.4 直接向量控制 41
3.4.1 無感測研究文獻回顧 41
3.4.2 滑動模式觀測器介紹 42
3.4.3 滑動模式電流觀測器估測馬達轉子系統設計 45
3.4.4 無量測器直流無刷馬達磁場導向控制 53
第四章 系統模擬及人機介面程式設計 55
4.1 使用SIMULINK建立永磁同步馬達的模型 55
4.2 控制器參數設計 58
4.2.1 虛軸電流控制器設計 62
4.2.2 實軸電流控制器設計 67
4.2.3 速度控制器設計 68
4.3 人機介面設計 74
第五章 向量控制型驅動器設計與實現 76
5.1 系統架構 76
5.2 硬體電路設計 78
5.2.1 解角器電路設計 78
5.2.2 霍爾電流感測電路設計 82
5.2.3 驅動電路設計 85
5.2.4 通訊電路設計 86
5.2.5 數位轉類比電路 88
5.3 軟體流程設計 89
5.3.1 定點數運算 93
5.4 實驗結果 94
5.5 實驗結果討論 103
5.6 不同驅動法之功率因數比較 104
第六章 結論與未來研究方向 107
6.1 結論 107
6.2 未來研究方向 107
附錄 115
作者簡歷 116
[1] 鄒應嶼,交流伺服驅動系統簡介,國立交通大學電機工程系所電力電子實驗室,新竹。
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[8] 陳志成,無轉軸偵測元件之無刷直流馬達驅動系統研製, 碩士論文,國立中央大學電機工程所,2001年6月。
[9] 趙欣彥,以滑動模式觀測器實現永磁式同步馬達之無感測器速度控制,碩士論文,國立成功大學工程科學系碩博士班,2003年9月。
[10] 劉添華,張益華,涂弘燃,許瑋良,洪哲凱,內藏式永磁同步馬達的模式、驅動、控制及應用,國立臺灣科技大學電機系,2003年7月。
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[30] Analog Devices, AD2S1205 12-Bit R/D Converter with Reference Oscillator, Data Sheet, 2007.
[31] LEM, LA 100-P Data Sheet, 2009.
[32] Microchip, MCP4922 Dual Voltage Output Digital-to-Analog Converter with SPI Interface datasheet, 2010.
[33] Microchip, MCP2200 USB 2.0 to UART Protocol Converter, 2010.
[34] 羅永昌編譯,「電動機控制」,高立圖書有限公司,民國94年元月10日初版。
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