簡化之無電流感測控制

圖 3.2 控制器中除了主要架構外，還擁有 2 個電路補償，分別為電感等效內阻和電路 元件導通壓降的不理想補償。若系統中的電感等效內阻r_L和電路元件導通壓降總和V_F 很小，接近理想的話，可將控制器中 2 個電路補償同時省略如圖 3.5 表示，在第 4 章模 擬驗證中，會有此控制架構的模擬驗證。

0 2 T T

(a)

0 2 T

s T v

is

tc

(b)

0 T

2 T

(c)

圖 3.4 參數誤差所可能產生的輸入電流波形 (a)純弦波；(b)箝制電流；(c)硬換相電流波形。

vs

vo

kf

vcont

v′s

VˆL

+ + ∑

−

PLL

ABS

∑ 1 cont,

v

2 cont,

v -)

G_cv(s Voltage controller

)

1( t S ω

v′s

kv

kv o*

V

圖 3.5 簡化之無電流感測控制方塊圖

第四章 模擬驗證

在此利用來模擬的軟體為 PSIM，這套軟體廣泛的使用在電力電子領域的研究中。由 於其簡單的操作介面，以及模擬快速的特性，使得使用者更利於在繁複的驗證中，更快 速的取得需要的資訊。

另外 PSIM 廣受電力電子領域研究所使用的原因，莫過於其內部的馬達驅動零件庫 相當豐富，以及很強的控制系統模擬能力，在頻率響應的分析方便，另外它可以和 C/C++

程式做連結也是其中一個相當重要的原因。以下簡單介紹 PSIM 這套軟體。

在 PSIM 中有提供五種功能模組供使用者使用，分別為供給馬達驅動系統使用的馬 達驅動模組、設計數位控制系統的數位控制模組、提供 Matlab/Simulink 共同模擬的 Simulink 耦合模組、提供 MagCoupler 共同模擬的 JMAG 耦合模組及計算功率開關熱損 失與溫度變化的熱分析模組，可以利用圖 4.1 簡單描述此五種功能模組。[16]

Auto-Code Generation

Loss Calculation

Control Motor Drives

SimCoder Thermal

Digital Control Motor Drive

Power Electronics

PSIM

圖 4.1 PSIM 功能模組概圖

在馬達驅動模組中，由於電動機模型與控制迴路相當複雜，因此對於馬達驅動系統 設計與分析工作具有高度的挑戰性，利用 PSIM 的馬達驅動模組中的電動機模型與負載 模型可以使複雜的分析工作簡化，此外豐富的零件庫可以使馬達驅動的模擬系統迅速的 建立。在 PSIM 中馬達驅動模組包括：直流電動機、三項鼠籠式與轉子繞線式感應電動 機、永磁與外激式同步電動機、無刷直流電動機、切換式磁阻電動機、定力矩，定功率

在數位控制模組中，不同於類比控制器，數位控制器的設計上，取樣頻率的影響、

取樣延遲、量化誤差、以及類比數位轉換上的誤差都必須考慮，因此利用數位控制模組，

可以確認控制器的效能跟穩定度、研究取樣頻率對於系統效能的影響以及類比決定數位 轉換器的解析度需求，對於數位控制器的設計有很大的幫助。在 PSIM 中數位控制模組 包括：零階維持、單位延遲、Z 域轉移函數方塊、數位 FIR 與 IIR 濾波器、量化方塊、

數位積分與微分控制器及環型緩衝器。

PSIM 正因為強大的計算能力以及豐富的資料庫內容，對於本論文在電路以及控制器 驗證上有很大的幫助，以下的模擬也將大量的使用 PSIM 來做各種情況的模擬。

4.1 模擬電路及元件參數

表 4.1 無電流感測模擬參數

輸入電壓(峰值) V_sp =155V(110Vrms) 輸出電壓之參考命令 _{V V}

o^*=300

額定功率 _{P W}

o =600 輸入電壓頻率 f =60Hz 開關切換頻率 f_tri =50kHz

電容 C_o =470uF 電感 L=4.56mH 電感等效內阻 r_L = 50. Ω 整流子二極體導通壓降 V_DB =0.55V

功率開關導通電壓 V_T =1.4V 飛輪二極體導通壓降 V_D =1.4V

模擬電路圖為圖 4.2 示之，其中包含了昇壓型切換式整流器電路、一個電壓迴路控制 器、開關切換模組和無電流感測控制迴路。圖 4.2 中各電路元件及其大小值分別將其列 於表 4.1 中，其值皆根據實際電路元件參數進行建立。

圖 4.2PSIM 內無電流感測模擬圖

4.2 無電流感測控制之模擬

此節利用電腦模擬軟體 PSIM 來驗證無電流感測控制，是否能在昇壓型切換式整流器 電路上達到輸入電流波形規劃和輸出電壓調節 2 種特性。模擬會分為 2 部分分別為穩態 模擬和暫態模擬，穩態模擬主要觀察其輸入電流波形式是否為弦波且與輸入電壓是否同 相，模擬輸出功率為P_o =300W 至P_o =600W，其中將額定輸出功率P_o =600W 控制器內 部訊號繪出以作為觀察。暫態模擬會將輸出功率變動為 50%至 100%，觀察輸出電壓是 否穩定於輸出電壓的參考命令V_o^* =300V。

4.2.1 穩態模擬

將表 4.1 參數代入圖 4.2 無電流感測控制模擬圖進行模擬，可得其穩態響應如圖 4.3 和圖 4.4。圖 4.3 繪出不同輸出功率下穩態響應之輸入電壓及輸入電流波形，觀察其模擬 結果發現輸入電流波形相當接近正弦波，且與輸入電壓同相位，總電流諧波失真THD 皆_i 約為 6.5%，亦即有相當高功率因數。另將各電流諧波成分整理於表 4.2。根據圖 4.4 可

關總導通壓降的補償。其中電感內阻跨壓補償與二極體和開關總導通壓降的補償其值皆

(a)300W;(b)400W;(c)500W;(d)600W。

表 4.2 電流諧波整理

輸出功率 諧波次數

300W 400W 500W 600W 1-基本波

(單位:安培) 4.0043 5.3633 6.7352 8.1204 3 0.2278 0.3178 0.4158 0.5227 5 0.4504 0.0684 0.0964 0.1296 7 0.0333 0.0501 0.0701 0.0934 9 0.0256 0.0383 0.0533 0.0705 11 0.0204 0.0305 0.0422 0.0555 13 0.0170 0.0251 0.0344 0.0447 15 0.0142 0.0210 0.0285 0.0366 17 0.0122 0.0178 0.0238 0.0302 19 0.0105 0.0152 0.0201 0.0250 THD (%) i 6.35 6.36 6.55 6.81

310V 305V 300V 295V

0 100V

-10A

12 13 14 15

0 0.2 0.4 0.6

1 0.8 0.6 0.4

vo

vs

is

∧

VL

1 cont,

v

2 cont,

v

d vcont

V V

V V

圖 4.4 穩態響應下控制器內部信號

4.2.2 暫態模擬

除了會考慮電路穩態下輸入電流波形的表現，亦會將重點放在暫態響應時輸出電壓 調節。輸出功率的變動會是造成昇壓型切換式整流器進入暫態主要原因之ㄧ，在此將無 電流感測控制利用 PSIM 模擬輸出功率變動，觀察電路是否可以在可接受時間範圍內由 不穩定的暫態回復到穩態。模擬了輸出功率由 50%至 100%的變化如圖 4.5。由圖 4.5 可 發現輸出功率變動後經過了若干周期後輸出電壓調節至 300V，輸入電流峰值從 4.3A 變 化至 8.7A。經過暫態模擬後驗証昇壓型切換式整流器之無電流感測控制擁有輸出電壓調 節的作用。

ms 50 vo

vs i_s

圖 4.5 昇壓型切換式整流器暫態響應:輸出功率變動 50%至 100%

4.3 無電流感測控制之失真輸入電壓模擬

在先前的推導得到無論輸入電壓是否為理想輸入電壓，皆可得到輸入電流為弦波波 形且同相。先將輸入電壓由原先弦波v_s =155sin(ωt)V 入電，改由模擬失真輸入電壓

Vrms

110 輸入模擬。模擬失真輸入電壓方法為，直接利用功率計量測失真輸入電壓各諧 波成分，將其紀錄。利用 PSIM 內多個正弦電壓源 Sinusoidal voltage source，再將紀錄 的各諧波成份代入進行失真輸入電壓源的模擬，如圖 4.6。圖 4.7 為失真輸入電壓實際量

測波形與 PSIM 模擬失真輸入電壓波形圖，兩者相似度極高。失真輸入電壓的總電壓諧 波失真約為THD_v ≈5%，在圖中顯示出理想輸入電壓峰值大小與基本波相位相差的角 度。

°

0 − 55° 41.2° 105.8° 175.1° − 67. ° −20.2° 61.6° 46.9° 170.7°

°

−101.1 −108° 29.1° 25.5° 121.8° 125.9° 177.8° 39.1° −50.7° 19.4° 55.5° +

-vs THD_v≈5%

圖 4.6 PSIM 模擬失真輸入電壓電路圖

vs

ms 5

(a)

100V 0

vs

ms 5

(b)

圖 4.7 (a)實際失真輸入電壓波形(b)PSIM 模擬失真輸入電壓波形 4.3.1 穩態模擬

將圖 4.6 中模擬失真輸入電壓源代入圖 4.2 無電流感測控制模擬圖進行模擬，可得其 穩態響應如圖 4.8 和圖 4.9。圖 4.8 繪出不同輸出功率下穩態響應的輸入電壓及輸入電流

電流諧波成分整理於表 4.3。

vs

is

vs v^s

vs

is

is

is

% 83 .

=4 THDi

% 67 .

=4 THDi

% 62 .

=4 THDi

% 85 .

=4 THDi

圖 4.8 使用無電流感測控制之失真輸入電壓模擬穩態波形 (a)300W;(b)400W;(c)500W;(d)600W。

表 4.3 電流諧波整理 輸出功率

諧波次數

300W 400W 500W 600W 1-基本波

(單位:安培) 4.0144 5.3763 6.7511 8.1390 3 0.1679 0.2316 0.3027 0.3823 5 0.0295 0.04453 0.0641 0.0888 7 0.0153 0.0240 0.0359 0.0513 9 0.0135 0.0207 0.0030 0.0425 11 0.0113 0.0172 0.0251 0.0349 13 0.0093 0.0141 0.0206 0.0285 15 0.0079 0.0121 0.0165 0.0241 17 0.0070 0.0106 0.0152 0.0208 19 0.0062 0.0094 0.0133 0.0180 THD (%) i 4.83 4.62 4.67 4.85

4.3.2 暫態模擬

如同 4.2.2 中無電流感測控制藉由輸出功率變動，觀察其暫態響應，以確認無電流感 測是否有輸出電壓調節功能。在圖 4.5 中以驗證無電流感測在弦波輸入電壓時，擁有輸 出電壓調節特性。現改由失真輸入電壓進行模擬得圖 4.9，由圖 4.9 可以得到當失真輸入 電壓，確實有輸出電壓調節作用。

ms 50 vo

vs i_s

圖 4.9 失真輸入電壓暫態響應:輸出功率變動 50%至 100%

4.4 簡化之無電流感測控制架構模擬

如圖 3.5 簡化之無電流感測控制迴路，其中電路元件不理想因素如電感等效內阻和二 極體及開關導通壓降所做的補償迴路，將其迴路簡化。在此即藉由模擬觀察此二迴路對 無電流感測控制的影響。圖 4.10 和圖 4.11 分別為理想輸入電壓與失真輸入電壓時的穩 態響應，表 4.4 和表 4.5 分別為各自的電流諧波成分。

vs

is

vs

is

vs

is

vs

is

% 1 .

=30 THDi

% 6 .

=28 THDi

% 8 .

=27

THDi THD_i =27.3%

圖 4.10 使用簡化無電流感測控制之理想輸入電壓模擬穩態波形 (a)300W;(b)400W;(c)500W;(d)600W。

表 4.4 簡化無電流感測控制電流諧波整理 輸出功率

諧波次數

300W 400W 500W 600W 1-基本波

(單位:安培) 4.2740 5.6730 7.0817 8.502 3 1.2380 1.5559 1.8814 2.2209 5 0.3089 0.4338 0.5472 0.6594 7 0.0214 0.0567 0.0940 0.1269 9 0.0874 0.0884 0.0897 0.0943 11 0.0761 0.0978 0.1158 0.1329 13 0.0267 0.0505 0.0699 0.0859 15 0.0163 0.0057 0.0122 0.0211 17 0.0305 0.0309 0.0294 0.0289 19 0.0207 0.0310 0.0369 0.0411 THD (%) i 30.1 28.6 27.8 27.3

vs (a)300W;(b)400W;(c)500W;(d)600W。

表 4.5 簡化無電流感測控制電流諧波整理 輸出功率

諧波次數

300W 400W 500W 600W 1-基本波

(單位:安培) 4.3696 5.4992 6.5358 7.5687 3 1.1754 1.1265 0.9499 0.7466 5 0.3380 0.3980 0.3602 0.2678 7 0.0489 0.1560 0.2011 0.1678 9 0.0694 0.0287 0.1086 0.1173 11 0.0765 0.0350 0.0483 0.0807 13 0.0397 0.0506 0.0129 0.0568 15 0.0047 0.0422 0.0121 0.0382 17 0.0246 0.0213 0.0220 0.0238 19 0.0249 0.0041 0.0245 0.0132

4.5 諧波規範比較

將表 4.2~表 4.5 中所整理出的諧波數值與第一章所述的諧波規範 IEC 61000-3-2 來作 比較。其中由於 A 類和 D 類的應用規範較符合本論文的應用領域，因此取 IEC 61000-3-2 中的 A 類和 D 類規範內容作比較。並由表 4.6~表 4.13 整理，其中 D 類規範所定義之單 位為mA /W，表 4.10~表 4.13 之單位則為轉換過後的單位安培。其中利用下標註記的為 不滿足規範。

表 4.6 輸出功率為 300W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.2278 0.1679 1.2380 1.1754 5 1.14 0.4504 0.0295 0.3089 0.3380 7 0.77 0.0333 0.0153 0.0214 0.0489 9 0.4 0.0256 0.0135 0.0874 0.0694 11 0.33 0.0204 0.0113 0.0761 0.0765 13 0.21 0.0170 0.0093 0.0267 0.0397 15 0.15 0.0142 0.0079 0.0163 0.0047 17 0.132 0.0122 0.0070 0.0305 0.0246 19 0.118 0.0105 0.0062 0.0207 0.0249

表 4.7 輸出功率為 400W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.3178 0.2316 1.5559 1.1265 5 1.14 0.0684 0.04453 0.4338 0.3980 7 0.77 0.0501 0.0240 0.0567 0.1560 9 0.4 0.0383 0.0207 0.0884 0.0287 11 0.33 0.0305 0.0172 0.0978 0.0350 13 0.21 0.0251 0.0141 0.0505 0.0506 15 0.15 0.0210 0.0121 0.0057 0.0422 17 0.132 0.0178 0.0106 0.0309 0.0213 19 0.118 0.0152 0.0094 0.0310 0.0041

表 4.8 輸出功率為 500W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.4158 0.3027 1.8814 0.9499 5 1.14 0.0964 0.0641 0.5472 0.3602 7 0.77 0.0701 0.0359 0.0940 0.2011 9 0.4 0.0533 0.0030 0.0897 0.1086 11 0.33 0.0422 0.0251 0.1158 0.0483 13 0.21 0.0344 0.0206 0.0699 0.0129 15 0.15 0.0285 0.0165 0.0122 0.0121 17 0.132 0.0238 0.0152 0.0294 0.0220 19 0.118 0.0201 0.0133 0.0369 0.0245

表 4.9 輸出功率為 600W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.5227 0.3823 2.2209 0.7466 5 1.14 0.1296 0.0888 0.6594 0.2678 7 0.77 0.0934 0.0513 0.1269 0.1678 9 0.4 0.0705 0.0425 0.0943 0.1173 11 0.33 0.0555 0.0349 0.1329 0.0807 13 0.21 0.0447 0.0285 0.0859 0.0568 15 0.15 0.0366 0.0241 0.0211 0.0382 17 0.132 0.0302 0.0208 0.0289 0.0238 19 0.118 0.0250 0.0180 0.0411 0.0132

表 4.10 輸出功率為 300W 下諧波電流與 D 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 D 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 1.02 0.2278 0.1679 1.2380 1.1754

5 0.57 0.4504 0.0295 0.3089 0.3380 7 0.3 0.0333 0.0153 0.0214 0.0489 9 0.15 0.0256 0.0135 0.0874 0.0694 11 0.105 0.0204 0.0113 0.0761 0.0765 13 0.089 0.0170 0.0093 0.0267 0.0397 15 0.077 0.0142 0.0079 0.0163 0.0047 17 0.068 0.0122 0.0070 0.0305 0.0246

表 4.11 輸出功率為 400W 下諧波電流與 D 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 D 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 1.36 0.3178 0.2316 1.5559 1.1265 5 0.76 0.0684 0.04453 0.4338 0.3980 7 0.4 0.0501 0.0240 0.0567 0.1560 9 0.2 0.0383 0.0207 0.0884 0.0287 11 0.14 0.0305 0.0172 0.0978 0.0350 13 0.118 0.0251 0.0141 0.0505 0.0506 15 0.103 0.0210 0.0121 0.0057 0.0422 17 0.091 0.0178 0.0106 0.0309 0.0213 19 0.081 0.0152 0.0094 0.0310 0.0041

表 4.12 輸出功率為 500W 下諧波電流與 D 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 D 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓

在文檔中 失真輸入電壓供電下昇壓型切換式整流器之無電流感測控制 (頁 31-0)