第五章 系統模擬與實驗結果
5.1.1 實驗平台
本文所提系統架構之數位控制模擬及控制參數設計是使用 PowerSim Technologic 公司之電路模擬軟體 PSIM 建構完成。實驗部分則以 DSP (TMS320LF2407A)為基礎之 數位控制板，配合功率級，進行整合實測驗證。電腦輔助設計方面，配合一套視窗化 監控軟體，如圖 5.1 所示，經由 RS-232 作為 DSP 數位控制板與電腦間資料的溝通與傳 遞，透過監控軟體可具有線上觀察控制波形與調整控制器參數的功能，使系統驗證與 控制程式發展更加方便與快速。
圖 5.2 及圖 5.3 為整合式 VOPFC 無刷直流馬達驅動器發展平台之實體圖，主要包 含有一個 4 極的梯形波型永磁同步馬達、EMI-filter、全橋整流電路、串聯式昇降壓功 率轉換器(VOPFC)及三相變頻器之功率電路、訊號偵測、回授電路與定點數運算的 DSP(德州儀器，TMS320LF2407A)數位控制板，及一台個人電腦。
DSP為控制系統之核心，負責讀取外部訊號、各項控制機制以及VOPFC電流、電 壓與馬達速度估測及電流驅動…等控制。訊號偵測與回授電路將VOPFC輸入輸出電 壓、電感電流、馬達輸入直流電流與霍爾感測器訊號經過放大和濾波後接到DSP的數 位類比轉換器(A/D converter)。透過RS-232的介面與DSP連結，可在個人電腦利用 WinDSP軟體觀察與調整DSP程式的所有參數與數據。
line
zPower On/Off Control z PFC Control
z Strategy Control z Voltage Regulation
zProtection z Power Monitoring z Computer Interface
DSP-Based DMCK2407 Controller Power Stage
Control Functions:
P Bus S Bus
RS - 232
z
z PFC Control z
BLDC Motor
3-phase Inverter z
PWM/PAM Selector
z zSpeed Estimator
line
zPower On/Off Control z PFC Control
z Strategy Control z Voltage Regulation
zProtection z Power Monitoring z Computer Interface
DSP-Based DMCK2407 Controller Power Stage
Control Functions:
P Bus S Bus
RS - 232
z
z PFC Control z
BLDC Motor
3-phase Inverter z
PWM/PAM Selector
z zSpeed Estimator
圖 5.1 數位控制卡與監控軟體之系統示意圖
VOPFC EMI-filter
DSP-XDS510PP
DSP-2407A
3-phase inverter RS 232
Hall sensor feedback VOPFC
EMI-filter
DSP-XDS510PP
DSP-2407A
3-phase inverter RS 232
Hall sensor feedback
圖 5.2 以DSP為基礎之整合式VOPFC無刷直流馬達驅動器發展平台實體圖
3-phase BLDCM Electric brake
Encoder
Hall sensor 3-phase BLDCM Electric brake
Encoder
Hall sensor
圖 5.3 無刷直流馬達驅動器發展平台實體圖
5.1.2 以數位方法實踐控制器
以數位的方式實現控制器與演算法時，由於處理器的字長(word length)有限，數值 的表示範圍與精確度之間往往無法兼顧，造成數位類比的轉換結果、數值的儲存、以 及數值運算的結果有誤差，此誤差稱為量化誤差(quantization error)。除此之外，若是 定點數運算的處理器，因無法儲存非整數的數值，程式設計者必須使用Q格式觀念。所 謂的Q格式是在一個二進值的整數值中由程式設計者設定一個無形的小數點，Q值即為 小數點之後的位元數，Q值愈大數值的精度愈高，但可表示的數值範圍愈小。例如使用 16位元之暫存器，Q15代表以15個位元表示小數點後的數值，因此能儲存最小 1− 、最 大 之有號數，精度為 ；若不使用Q格式(或者說使用Q0)，則暫存器所能表示 的數值範圍最大，由 至
1 2− −15 2−15 215
215
− − ，精度為1。由以上的說明可知，使用定點數運算，1 數值的精確度與範圍通常無法兼顧，若要表示較大的數值範圍，必須犧牲精度；若要 提高精度，則數值的表示範圍就會減小。