利用無感測演算法之速度估測電路方塊圖如圖4.6，主要分成三部分介紹，第一部 分為轉子位置估測器，在於無感測演算法的實現、第二部分為反抗電動勢函數產生 器，根據所算出的轉子電機角度，透過查表的方式得到三相正規化的反抗電動勢、最 後一部分為速度估測機制。
電壓調整 Da
Db Dc
Van Vbn Vcn
反抗電動 勢函數產
生器
Ea Eb Ec
無感測轉子位置估測
器 3 Ia,Ib,Ic
A B alpha X
IIR 濾波器 Speed_est
θ_est C
Δθ_est 速度計算
圖4.6 無感測演算法之速度估測電路方塊圖 4.2.1 轉子位置估測電路
根據第三章討論之演算法，可定出無感測演算法的方塊圖如圖4.7。同時，由於本 論文使用的是小型馬達，其規格如表4.4。參數的尺度相對的較小，在執行無感測轉子 角度估測的演算法時，若是將這些參數單獨儲存，不但精確度較差，運算時Q格式的轉 換也會較繁瑣。由於在無感測的演算法中有許多的乘法運算，若能將數值較小的參數 與其它數值較大的參數，先以手算的方式計算乘積後再代入演算法中，將可縮減合成 的電路並提高精確度。
表4.4
永磁同步主軸馬達的參數表
3-phase permanent magnet synchronous motor
Type Y-connection, 12 poles
Rated voltage 12 V Stator resistance 0.6 Ω Stator inductance 0.102 mH Back-EMF constant 0.595 mV/rpm Rotor inertia 1.056×10-6 kg⋅m2 Mech. time constant 0.27 sec
磁通鏈增量計算
0.012 1011
normalization Inverse of resistance
Inverse of inductance
1011 30
inductance Speed_est > 0 ?
ea(Q9)
Alpha (Q9)
反抗電動勢估測峰值計算
32 bits 4.10為此Sine Table之內容，利用QuartusⅡ內lpm_rom可以自己設定位元數及儲存資料 筆數，這裡因為反抗電動勢數值範圍是+511 ~ -511，所以選擇10位元、可儲存500筆資 料的Sine Table來表示反抗電動勢波形，如圖4.11所示。
圖4.10 弦波型反抗電動勢之查表內容
圖4.11 反抗電動勢波形 4.2.3 速度估測機制
轉速計算與之前霍爾感測器速度估測電路相同，唯一的差別在於濾波器的形式以 及轉子角度變化量與轉速的比值不同，圖4.12為轉速計算電路實現方塊圖，由於θest數 值範圍為0~500，因此轉子角度變化量與轉速的比值關係只是將(4-1)式中的360替換成 500即可。
θ(n) REG
θ(n-1) REG
θest
32 bits Subtractor
θerr(n) REG
θerr(n-1)
32 bits REG
Comparator Δθlimit
32 bits Multiplier
C REG
ω_est
3nd FIR Filter
Δθest
圖4.12 無感測轉速計算電路實現方塊圖
4.2.4 無感測演算法之速度估測電路模擬
圖4.13為無感測演算法速度估測電路的IP方塊，輸入訊號：Da、Db、Dc為三相電 流控制器所產生之電壓命令，以有號數10位元表示，其數值範圍(+500 ~ -500)；Ia、
Ib、Ic為迴授三相電流，以有號數12位元表示，其數值範圍(+2047 ~ -2047)；A為磁通 鏈增量計算參數，以無號數14位元表示，其數值範圍(0~32,767)；B為轉子角度增量計 算參數，以無號數6位元表示，其數值範圍(0~63)；C為轉速計算參數，以無號數17位 元表示，其數值範圍(0~131,072)；Alpha為轉子角度增量計算參數，以無號數8位元表 示，其數值範圍(0~255)；X為調整反抗電動勢峰值的估測值參數，以無號數4位元表 示，其數值範圍(0~15)；CS為同步取樣訊號，取樣頻率範圍(200 kHz~10 kHz)；Clk為 電路時脈訊號。輸出訊號：Theta_est為轉子位置輸出，以無號數10位元表示，其數值 範圍(0~500) ；Speed_est為轉速輸出，以有號數16位元表示，其數值範圍(+32,767 ~ -32,768)。表4.5為腳位功能說明。
圖4.13 無感測演算法速度估測電路的IP方塊
為了簡化無感測演算法中繁複的乘加運算，因此先以手算的方式計算乘積後再代 入演算法中，簡化過後的演算法，使用者只需要設定A、B、C、Alpha這四個參數，即 可利用此IP估測轉子位置及轉速，參數說明如圖4.14。
( ) 0.815 H s
Sensing
Gain (V/A) low-pass Filter (2.2kHz)
ZOH Current
Feedback
圖4.15(a)(b)為低轉速500 rpm情況下，取樣頻率分別為20 kHz及200 kHz的轉速及轉 子位置模擬圖，由模擬結果可看出，取樣頻率20 kHz時，穩態轉速誤差約80 rpm；取樣 頻率200 kHz時，穩態轉速誤差約30 rpm。
圖4.15 在500 rpm(a)取樣頻率20 kHz(b)取樣頻率200 kHz情況下無感測轉速及 轉子位置模擬圖
圖4.16(a)(b)為高轉速5000 rpm情況下，取樣頻率分別為20 kHz及200 kHz的轉速及 轉子位置模擬圖，取樣頻率20 kHz時，穩態轉速誤差約200 rpm，隨著取樣頻率提高為 200 kHz後，穩態轉速誤差降為180 rpm，與低轉速有相同的結果。
圖4.16 在5000 rpm(a)取樣頻率20 kHz(b)取樣頻率200 kHz情況下無感測轉速及 轉子位置模擬圖