實驗系統架構

首先，無感測器驅動系統架構包含了驅動器控制晶片、換相估測 電路及馬達驅動器三大部分。

第一步，先將馬達的反電動式回授到估測電路後，透過比較電路 與低通濾波器取得虛擬霍爾感測器；第二步，將三組虛擬訊號輸入到 dsPIC30F4011 中，透過程式撰寫與控制，輸出六組 PWM 訊號；第三 步，將六組 PWM 訊號輸入到變頻器中，透過變頻器產生三相訊號驅 動馬達。透過三個步驟完成一個無感測器馬達驅動的迴路，圖 3.1 為 本論文系統架構。下面將一一介紹晶片的選用、程式架構與換相估測 電路的架構，圖 3.2 為實際硬體架構圖。

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10-bit ADC

Controller Square Wave Generation Start / Stop

FLTA

3.2

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圖 3-4 dsPIC30F4011 單晶片接腳圖

圖 3-5 dsPIC30F4011 單晶片電路設計

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圖 3-6 dsPIC30F4011實體電路圖

圖 3-7 dsPIC30F4011 內部功能方塊圖

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3.3 變頻器

世界各國所提供的電器頻率為 50Hz(歐洲)或 60Hz(美洲、亞洲)，

若直接使用此頻率僅能使馬達操作在一個固定轉速上，故想調節不同 的轉速，則需透過變頻器。三相馬達所採用的變頻器是由六個功率電 晶體所組合而成，通常要求具有高切換速度且又能耐高壓高電流的功 能，如圖 2.10 所示，為了保護切換瞬間電晶體內部電流的流向，在每 顆電晶體旁接加上一個快速二極體，稱為飛輪二極體。

本 論 文 的 變 頻 器 採 用 乾 坤 科 技 的 整 合 型 功 率 模 組 ， 型 號 為 LDIP IPM-IM13400，如 圖 3.8 所示。此功率模組已經內建有閘極驅動電路，

故只需要由驅動器輸入六組脈寬調變訊號，用來切換內部六顆電晶體，

即可得到三相電壓。圖 3.9 為變頻器電路設計，圖 3.10 為完整硬體實 體圖，圖 3.11 為內部功能。

圖 3-8 LDIP IPM-IM13400

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圖 3-9 變頻器應用電路

圖 3-10 變頻 器實 體圖

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圖 3-11 內部功能方塊圖

3.4 平均端電壓偵測法

本論文採用了反電動勢中的平均端電壓法，透過單級低通濾波器 濾除端電壓中的 PWM 訊號，再透過比較器處理，產生三組各相差 120 度的虛擬感測器訊號[2]，如圖 3.12 所示，此方法無需增加額外的相移 電路、多級低通濾波器與高通濾波器。

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圖 3-12 平均端電壓估測法硬體結構

3.5 軟體程式

Microchip 提供了整合式開發環境軟體 MPLAB IDE，如圖 3.13，

此開發環境可以方便使用者不需要額外的文字編輯器、組譯器或編譯 器 等 程 式 工 具 ， 僅 需 要 搭 配 dsPIC 為 處 理 器 所 提 供 的 線 上 除 錯 器 (ICD2,In-Circuit Debugger)。在同一個環境下即可燒入與除錯，使系統 可 以 簡 單 的 實 現 於 單 機 上 ， 完 成 整 個 程 式 開 發 。 程 式 編 寫 上 ， 利 用 Microchip 公司所提供的 C30 語言來編寫(MPLAB C30 compiler)作為 開發程式，且內建許多數學函式與周邊的函式，不但可以提升程式的 可讀性，也降低組合語言上的複雜度。若使用者想完全掌握戰存器位 置，該軟體提供組合語言與 C 語言共同使用，讓使用者能方便規劃與 設計。

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圖 3-13 MPLAB IDE v8.0 程式開發環境介面

3.5.1 開路啟動與切換策略

由於無感測器馬達在啟動時，無法得知狀況，故透過程式設定強 迫執行圖 3.14 的流程，第一步將整個系統初始化；第二步讓驅動器依 照程式內所設定的固定表格啟動馬達，使馬達運轉起來；第三步判斷 是否有無虛擬感測器訊號；第四步，若未取得訊號調整 PWM 責任週 期，使馬達增加轉速；第五步獲得虛擬感測器訊號後，切換到閉迴路 驅動進入真正無感測技術驅動。

3.5.2 閉迴路驅動

當反電動勢已達到可量測的狀態時，換相估測電路可產生虛擬的 霍爾訊號，透過虛擬的霍爾訊號進行讀取並且計算速度，若未達到參

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考速度時，將透過控制器調整 PWM 的責任周期，使其能夠以最快最 佳的狀態達到控制策略，將在 3,6 與 3.7 節中討論如何設計控制策略，

其閉迴路驅動過程設計如圖 3.15 所示。

圖 3-14 開迴路啟動過程設計

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圖 3-15 閉迴路驅動過程設計

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3.6 PID 控制策略

本 論 文 首 先 使 用 比 例 積 分 微 分 (PID)控 制 器 進 行 控 制 策 略 觀 察 其 控制狀況，雖然 PID 控制參數可以有速度、電壓、電流或電感參數等 等。但由於本論文採用無感測器技術，導致控制系統回授的資訊有限，

於是選用了無感測器技術所產生的虛擬霍爾訊號計算出速度當成 PID 的回授訊號進行控制策略，利用閉迴路驅動系統中的速度誤差、上一 次誤差與累積速度誤差訊號進行 PID 控制器控制，並且調節其輸出控 制量。

首先，比例控制器(P)的效果通常是隨著時間減少其誤差，故將當 下的誤差值直接由比例控制器進行控制，但當誤差趨近於零時，比例 控制器的效果也隨之減弱，於是透過積分控制器(I)對此作為修正，利 用累積誤差的誤差訊號，等累積至一段時間後，進行積分控制器，微 分控制器(D)用於提高控制器的速度，提升響應誤差的變化率，只要誤 差變化越快，則微分控制器對控制輸出影響越大，如圖 3.16 顯示 PID 控制方法。

圖 3-16 PID 控制方法

57 至 1500rpm 個別分為七組，PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB。由於 輸 出 (u_k)的 歸 屬 函 數 中 在 極 端 的 狀 態 下 極 少 會 出 現 ， 所 以 兩 側 的 歸 屬 函數範圍較為廣闊。因中間的狀態下容易遇到，於是劃分為較多的歸 屬函數，輸出電壓 0V 至 5V 分為十組 Z1~Z5、P1~P5 如圖 3.17 所示，

其中

PB = Positive Big PM = Positive Medium PS = Positive Small

ZE = Approximately Zero NS = Negative Small NM = Negative Medium NB = Negative Big

Z1~Z5 = Negative small to Negative Big P1~P5 = Positive small to Positive Big

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e

k

e

k

Δ

u

k

圖 3-17 歸屬函數

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60 3.7.3 推論引擎

規 則 庫 建 立 完 成 後 ， 下 一 步 建 立 模 糊 理 論 的 核 心 ， 本 論 文 採 用 Mamdani 的 Min-Max 模糊推論法當作推論引擎，如圖 3.18 所示。

圖 3-18 模糊推論過程 3.7.4 解模糊化

當模糊推論完成後，所得到的數據為一個模糊數值，無法直接輸 入到控制器上，必須透過解模糊化將模糊數值還原成明確的輸出量。

本論文採用重心法，如(3.6)所示，計算該輸出多少電壓值。

Z^*= ∑ μ u u / ∑ μ u (3.6)

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3.8 速度計算

本論文的速度估測法為固定位置法，由位移量等於取樣時間與實 際轉速的關係，估測其轉子速度，如(3.4)式所示，為了避免轉速估測 產生誤差，於是採用四次取樣平均其估測轉速，如 3.8 式所示

θ_est=θ_i+ω_est×∆T θ_i=θ₀,θ₆₀, ,θ₃₀₀ (3.7)

ω_est=[ω_{est_i-3}+ω_{est_i-2}+ω_{est_i-1}+ω_{est_i}]/4 (3.8)

其中θ_est是轉子位置，θ_i為每 60 度電氣角的值，∆T為取樣時間，ω_est 為轉子轉速

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第4章 實驗結果與討論

本論文採用 Microchip 公司所生產的 dsPIC30F4011 做為整個驅動 電路核心、乾坤科技的 IPM-IM13400 為系統的變頻器，透過 PID 控制 Interface 功能，進行輸入、輸出和誤差的變化 量監控，再利用轉速計 量測真實速度和參考輸入比較。

4.1 PID 控制器實驗

4.1.1 PID 控制器追蹤方波

利用訊號產生器給予一個週期為 5 秒的方波作為速度參考訊號，

如圖 4.1 所示。由圖 4.2 可以看到 PID 控制器，不論轉速是由 0rpm 到 1500rpm 或 1500rpm 到 0rpm，都需要花費約 0.25 秒的時間作為反應 時間。圖 4.3 為速度誤差，控制器依此誤差作為加速與減速的依據，

最後透過示波器顯示實際給予的參考訊號與轉速計量測到的電壓變化，

如圖 4.4 中圈起來的地方，可以見到快速的速度變化間，有著約 0.25 秒的追蹤落差。

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圖 4-1 PID 控制器-方波輸入參考訊號

圖 4-2 PID 控制器-追尋方波響應圖

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圖 4-3 PID 控制器-速度誤差

圖 4-4 參考訊號與轉速計電壓變化

65 4.1.2 PID 控制器追蹤弦波

利用訊號產生器給予一個週期為 0.75 秒的弦波作為速度參考訊 號，如圖 4.5 所示。由圖 4.6 可以看到 PID 控制器於轉折點時，由於 變化過快使得控制器來不及反應就開始下降，導致在轉折時速度誤差 有很大的變化，如圖 4.7 顯示，速度誤差一直維持在約 40rpm 的範圍。

圖 4.8 中，可看見在於低轉速時，因馬達停止又重新啟動，導致有一 小短時間不受控制器的控制，導致轉速上有嚴重的落後。

圖 4-5 PID 控制器弦波輸入參考訊號

圖 4-6 PID 控制器-追尋弦波響應圖

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圖 4-7 PID 控制器-速度誤差

圖 4-8 參考訊號與轉速計電壓變化

67 4.1.3 PID 控制器追蹤三角波

利用訊號產生器給予一個週期為 0.75 秒的三角波作為速度參考 訊號，如圖 4.9 所示。由圖 4.6 可以看到 PID 控制器於轉折點時，由 於變化過快使得控制器來不及反應就開始下降，導致在轉折時速度誤 差有很大的變化，如圖 4.7 顯示，速度誤差一直維持在約 40rpm 的範 圍。圖 4.8 中，可看見在於低轉速時，因馬達停止又重新啟動，導致 有一小段時間不受控制器的控制，導致轉速上有嚴重的落後。

圖 4-9 PID 控制器三角波輸入參考訊號

圖 4-10 PID 控制器-追尋弦波響應圖

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圖 4-11 PID 控制器-速度誤差

圖 4-12 參考訊號與轉速計電壓變化

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4.2 模糊控制器實驗

4.2.1 Fuzzy 控 制 器追蹤方波

利用訊號產生器給予一個週期為 5 秒的方波作為速度參考訊號，

如圖 4.13 所示。由圖 4.14 可以看到 PID 控制器，不論轉速是由 0rpm 到 1500rpm 或 1500rpm 到 0rpm，都需要花費約 0.25 秒的時間作為反 應時間。圖 4.15 為速度誤差，控制器依此誤差作為加速與減速的依據，

最後透過示波器顯示實際給予的參考訊號與轉速計量測到的電壓變化，

如圖 4.16 中圈起來的地方，可以見到快速的速度變化間，有著約 0.25 秒的追蹤落差與 PID 控制器相差不遠。

圖 4-13 Fuzzy 控制器方波輸入參考訊號

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圖 4-14 Fuzzy 控制器-追尋方波響應圖

圖 4-15 Fuzzy 控制器-速度誤差

圖 4-16 參考訊號與轉速計電壓變化

71 4.2.2 Fuzzy 控 制 器追蹤弦波

利用訊號產生器給予一個週期為 0.75 秒的弦波作為速度參考訊 號，如圖 4.17 所示。由圖 4.18 可以看到 Fuzzy 控制器修改了 PID 控 制器於轉折點處追不到速度的問題，如圖 4.19 顯示，速度誤差由 40rpm 下降至約 10rpm，明顯的修正追蹤弦波上的速度。圖 4.20 中，透過示 波器可以見到 Fuzzy 控制器明顯的改善 PID 控制器在停止後重新啟動 上所遇到的問題。

圖 4-17 Fuzzy 控制器弦波輸入參考訊號

圖 4-18 Fuzzy 控制器-追尋弦波響應圖

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圖 4-19 Fuzzy 控制器-速度誤差

圖 4-20 參考訊號與轉速計電壓變化 4.2.3 Fuzzy 控 制 器追蹤三角波

利用訊號產生器給予一個週期為 0.75 秒的三角波作為速度參考 訊號，如圖 4.21 所示。由圖 4.22 可以看到與弦波一樣 Fuzzy 控制器修

利用訊號產生器給予一個週期為 0.75 秒的三角波作為速度參考 訊號，如圖 4.21 所示。由圖 4.22 可以看到與弦波一樣 Fuzzy 控制器修

在文檔中 模糊控制器應用於無感測器無刷直流馬達 (頁 56-0)