圖2.6 馬達機械參數的計算
2.3 永磁同步馬達控制的基本原理
2.3.1 驅動器的架構
對於多數以市電做為電源的應用，為了提供馬達振幅可變、頻率可變的電壓源，
通常使用如圖2.7的兩級架構，先將市電整流成為直流電源，再由換流器(inverter)將直 流電轉為交流電輸出供給馬達。目前驅動永磁同步馬達(弦波型或梯型波型)的直流轉交 流 換 流 器 ， 最 常 見 的 形 式 如 圖2.8 ， 此 為 三 相 全 橋 換 流 器 (three-phase full-bridge inverter)。圖中的功率半導體開關元件為絕緣閘雙載子電晶體(Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT)，但也可以BJT、MOSFET等元件取代。由於馬達屬於電感性負載，
每個開關元件須與一反向的二極體並聯，提供反向電流路徑以保護開關元件[1]。
如圖2.8所示，直流鏈(DC link)提供給換流器的是電壓源，若換流器同一相的上下 臂開關同時導通，會造成一大電流通過，可能導致元件的損壞，在實際情況中，由於 導通中的開關元件無法瞬間關閉，因此控制上下臂開關導通的訊號必須有一定長度以 上的時間隔，確保上下臂開關不會同時導通，這個操作上的限制會影響輸出電壓的最 大值與控制的線性度
為了使永磁同步馬達能在穩定且高效率的狀態下操作，換流器六個開關必須能夠 根據轉子的位置作切換，使定子產生適當方向的磁場，並調節各相電流的大小來控制 馬達的輸出轉矩。接下來的兩個小節將分別討論轉子位置偵測元件與電流調節的方 法。
AC
rectifier inverter
AC source
AC load intermediate
DC link
圖2.7 交流轉交流轉換器的基本架構
輸出訊號即可判斷轉子位置。由於無刷直流馬達僅需每隔60°電機角換相一次，且電流 為方波，霍爾感測器便很適合用於無刷直流馬達。霍爾感測器的優點除了價格低廉之 外，還包括高可靠度，且操作頻率最高可至100 kHz左右。但對環境溫度敏感是最大的 缺點，霍爾感測器不適用於高溫的環境中。
光源
轉軸 光感測器
圖2.9 光編碼器的基本構造
Electrode
Flux
VH IH
圖2.10 霍爾感測器的基本原理 2.3.3 電流調節
如(2-6)所示，馬達的所產生的電磁轉矩正比於電流的大小。圖2.8中的換流器主要 功能便是藉由開關元件的切換使各相線圈流過適當大小的電流。電流調節方式有磁滯 (hysteresis)與斜波比較(ramp comparison)兩種。
圖2.11所示為磁滯電流調節，當回授電流ifb與電流命令i*相差超過Ih時，輸出的訊 號位準會改變，使該相上下臂開關元件的導通狀態互換，讓輸出電流維持在磁滯帶 (hysteresis band)Ih的範圍內。磁滯帶設定得愈小，電流漣波也會愈小，但是開關切換頻 率也愈高，開關的切換頻率同時也與馬達線圈的時間常數有關
相較於磁滯電流調節方式，使用斜波比較的優點是開關的切換頻率固定。斜波比 較是將電流命令i 與回授電流* i 相減，經過控制器的運算後產生一電壓命令，根據電fb 壓命令決定脈寬調變訊號(pulse-width modulation, PWM)的脈波寛度，此脈波調變訊號 便可直接控制開關元件的導通狀態，開關元件切換頻率等於三角載波v 的頻率。斜波tri
Controller +
_
會有很大的影響。
Controller Torque
Controller Speed
Controller Power
Stage
dt d
PMSM
Current Feedback
Angular Position Feedback
*
Servo Controller
Angular Position Sensor
θr
圖2.13 典型的永磁同步馬達伺服控制架構