第五章 實作電路與結果
5.2 三相電流控制實作波形圖
5.2.1 三相電流控制實作電流波形圖
我們利用第三章所提的控制架構圖利用5.1 節所提之實作電路加以實現。利用電流 感測器及編碼器得到馬達連接上的電流資訊ik與轉速和轉子位置，接著利用運算 FPGA 運算平台輸出三相反流器上下臂開關訊號。在運作的過程中使用數位類比轉換晶片搭配 電流感測棒，將回授電流與電流命令顯示於示波器上加以觀察。
另外三相電流控制中，三相反流器每一相的開關並非理想開關需要時間切換其狀 態，為避免電路短路出現極大的電流造成開關燒毀，在程式中開關切換的部份會設定 deadtime 來隔開這部份的區間。而 deadtime 的設定與模擬相同，並依據實作三相 IGBT 模組可容忍最快切換速度可知設定deadtime 為3s並不會使得三相IGBT 電路損壞。雖 然使用deadtime 可以避免電路過流的現象，但是這也造成反流器的輸出更不直觀，在扭 矩以及線圈上的電流與實際的命令產生差異，因此實際上deadtime 長度的設定盡量短並 且符合電路規格即可。
而回授電流取樣方面與第三章所提一樣，取樣時間點位於一個三角波週期或者運算 週期內，位於週期一半的時刻取樣電流，如此一來電流取樣即為電流在某個週期間的平 均值。而在實作中與模擬一樣，我們必須對 PI 控制器輸出加以做限制，而 SPWM 與 MDFQM 限制的大小如第二章所描述分別位於(1/2)Vdc至(1/2)Vdc與( 3/ )3Vdc 至
Vdc
/ )3 3
( 區間內。
下圖 5.7 至圖 5.12 分別為三相直流無刷馬達在兩種負載下，轉速500rpm、 rpm
1000 、1500rpm、2000rpm、2500rpm與3000rpm穩態運作狀況之三種三相電流控 制實作的a 相電流與電流命令波形，時間單位刻度及大小單位刻度標示於圖型中。
rpm ωr500
(a) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr500
(d) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr500
(b) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr500
(e) 10ms
A 1
*a
i ia
rpm ωr500
(c) 10ms
A 1
*a
i
ia
rpm ωr500
(f) 10ms
A 1
*
ia
ia
圖5.7 實作三相電流控制於轉速500rpm電流波形圖
100
RL ,a)PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制
rpm ωr1000
(a) 10ms
A 1
*a
i ia
rpm ωr1000
(d) 10ms
A 1
*a
i ia
rpm ωr1000
(b) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr1000
(e) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr1000
(c) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr1000
(f) 10ms
A 1
a*
i
ia
圖5.8 實作三相電流控制於轉速1000rpm電流波形圖
rpm ωr1500
(a) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr1500
(d) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr1500
(b) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr1500
(e) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr1500
(c) 10ms
A 1
a*
i
ia
rpm ωr1500
(f) 10ms
A 1
a*
i
ia
圖5.9 實作三相電流控制於轉速1500rpm電流波形圖
100
RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制
rpm ωr2000
(a) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr2000
(d) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr2000
(b) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr2000
(e) 10ms
A 1
*a
i ia
rpm ωr2000
(c) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr2000
(f) 10ms
A 1
*
ia
ia
圖5.10 實作三相電流控制於轉速2000rpm電流波形圖
rpm ωr2500
(a) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr2500
(d) 10ms
A 1
a*
i ia
rpm ωr2500
(b) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr2500
(e) 10ms
A 1
*a
i ia
rpm ωr2500
(c) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr2500
(f) 10ms
A 1
a*
i
ia
圖5.11 實作三相電流控制於轉速2500rpm電流波形圖
100
RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制
rpm ωr3000
(a) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr3000
(d) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr3000
(b) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr3000
(e) 10ms
A 1
*
ia
ia
rpm ωr3000
(c) 10ms
A 1
a*
i
ia
rpm ωr3000
(f) 10ms
A 1
a*
i ia
圖5.12 實作三相電流控制於轉速3000rpm電流波形圖
我們可以把實作圖對照模擬圖發現相近，其些許的誤差來自於系統連接線上的等效 阻抗及馬達參數在不同頻率下有所變動。在此討論電流的部分我們只討論穩態電流波 形，經由實作電流波形我們可以看到 SPWM 電流漣波並不是很大，電流波形在大小以 及相位上比命令小了一些及落後一點相位。造成這樣現象的原因來自於三相電流回授控 制裡控制起採用 PI 型控制器。如第三章所說，PI 型控制器在追求弦波命令時無法達到 零穩態誤差，因此在較高轉速時命令變化的較快，電流在相位及大小上會無法完美的追 隨到電流命令。
SPWM 電流在漣波方面的大小與 SPWM 及 MDFQM 的電流波形比較起來，其漣波 大小算小，造成電流漣波大小差異的原因在第二章及第四章裡有詳細的解釋。總結來說 SPWM 的電流因其電壓諧波的分布特性，可經由負載系統濾除大部分造成漣波的電流諧 波成分。在馬達的驅動上使得馬達噪音因此比其餘兩種三相電流控制小了許多，這也是 SPWM 的優點之ㄧ，但在三相反流器上開關切換的損耗相較於其餘兩種三相電流控制則 是多上許多。
第二種三相直交流調變的三相電流控制MDFQM 其整體電流控制架構圖可以參照圖 3.7。以 MDFQM 做三相電流控制下，馬達因電流諧波而有較大的噪音(相較於 SPWM)，
轉動起來的順暢度較不如SPWM。
誠如第四章所提MDFQM 有較大的電流諧波主要因素在於以 MDFQM 為基礎的三相 電流控制三相反流器，其輸出電壓存在著低頻率的諧波。而又若負載系統等效阻抗並沒 有達到一定的阻抗值，則經由輸入電壓產生輸出電流並無法濾除掉低頻率的諧波成分因 而造成較大的電流漣波。
在此補充第二章中有提到範例二的誤差定義，其對於低頻的電壓諧波相較於範例一 有較均勻的低次諧波分佈。理論上，選擇範例二的誤差定義在高轉速下有較低的電流漣 波。但實作上，範例二運用到的演算法則過於複雜，因此在FPGA 上運算的資源使用的 相當多而使得 FPGA 無法繞線。至於 MDFQM 的開關次數切換減少的優點，在本章第 三節將會用直流鏈電壓輸入功率與反流器輸出功率實際量測加以做比較。
最後一種三相電流控制為 MDFQCC，其電流漣波依照波形圖來說為三種電流控制
追隨電流命的在相位上會較其餘兩種電流控制佳，因此所需的基本波大小亦較小。而大 小上除去漣波成分亦可發現電流大小追隨並不會有無法達到命令的現象，至於造成電流 漣波為三種控制中最大的原因在第四章模擬中已經有加以解釋。總結MDFQCC 優點為 電流(基本波成分)追隨電流命令有較佳效果，且其減少了 PI 型控制器所佔用的資源。而 在下一節亦可看到其轉換效率因為有與MDFQM 相近的開關切換次數，因此在效率的轉 換上也較傳統SPWM 來的高。