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1.1 研究動機與目的
隨著人們生活習慣的改變和高度的工業自動化，各式的馬達應用也越 多，其中可精準定位的伺服馬達更廣泛地應用在各式各樣的自動化工業場合 中，使得物件的加工更快速、更精準且更安全，自動化生產的良率也提升。
伺服馬達的應用場合相當廣泛，例如電腦數值工具機(CNC)、高速高精密的 自動生產線、紡織機、機械手臂、機械人、電動車等等。
常見的伺服馬達可大致可分為有刷式的永磁直流伺服馬達和無刷式的 交流伺服馬達，其中交流伺服馬達有製造成本較低、體積較小且沒有碳刷不 用經常維護等優點，但缺點是交流伺服馬達的控制較直流伺服馬達困難許 多，藉由交流馬達的向量控制理論[1][2]，將使得交流伺服馬達的控制變得 較為簡單，再加上近年來電力電子的技術、變頻器控制與微處理器的高度發 展，讓交流伺服控制更容易實現、價格更低廉，有逐漸取代直流伺服馬達的 趨勢。隨著交流伺服馬達的應用越廣泛，低階的伺服馬達驅動器已不能滿足 高科技業的高速高精密之需求，如何提升整體的控制效能已成為重要課題。
1.2 研究背景與發展概況
在交流伺服馬達的向量控制方面，至今有相當多的論文提出各種有效的 控制架構，在參考文獻[3][4]中，一個典型的永磁式交流同步馬達的向量控 制架構已被提出，主要是利用座標轉換的技巧將馬達的定子電流解耦成磁場 電流分量與力矩電流分量，以達到磁場與力矩分別控制不互相干擾，進而達 成速度控制與弱磁(flux weakening)控制的目的。為了使馬達達到更高於額定 轉速的速度應用，使馬達操作在定功率的弱磁控制方法也相繼被提出 [5][6]。此外，市面上的伺服驅動器廠商為了讓使用者更方便地應用，開發 了許多自動參數調整的機制，自動適應不同的工作情況，自動調整出最佳的 工作狀態。因此不斷的提升控制效能，並且使伺服驅動器更智慧化，更適用 在多變的工作環境則是各家伺服驅動器廠商的共同目標。
近年來由於超大型積體電路(VLSI)技術的不斷創新，各種數位訊號處理 器(DSP)的性能也都大幅提升，且價格也有顯著的下降，使得各種 DSP 的應 用越來越廣泛。本研究採用的是德州儀器公司專為馬達控制所生產的 TMS320F2812 DSP 來做為伺服控制的核心運算處理器，其優點為運算速度 較快，運算暫存的位元數較高，並且以 C 語言做程式的開發設計，方便程 式的維護且縮短開發的時間。
1.3 問題描述
1. 電流迴路的回授信號高雜訊問題
伺服馬達控制系統的最內層控制迴路為電流迴路，它是整體伺服馬達控 制的核心，其中電流回授信號的準確性對電流迴路的響應效能有極大的影 響。由於實際的馬達控制時，電流回授信號是藉由霍爾感測元件(Hall sensor) 所感測而得，十分容易受到PWM 信號切換功率晶體時產生的雜訊和外在環 境的雜訊所干擾，使得電流迴路的控制效能不佳，且馬達無法平順地運轉。
2. 速度迴路的精密線性控制器設計難以實現
一般伺服馬達經常使用PI 控制器做系統的速度回授控制，但 PI 控制器 常因負載的變化或是工作條件的改變，使控制效能受到很大的影響，不僅要 重新調整 PI 控制器的參數值，而且其控制的結果經常會有較大的最大超越 量(overshoot)和暫態震盪，使得系統的暫態響應較差。在此希望利用線性控 制器的優點來取代 PI 控制器使系統效能更佳，但實際系統有最大輸出電流 之限制、馬達承受之最大電流限制與各式元件為非理想元件等非線性因素，
將使得線性控制器難以實現。
3. 外界負載對伺服馬達控制系統的效能影響問題
市面上的伺服馬達控制器在無負載時，系統頻寬常能達到300~400 Hz，
但加入 5 倍的慣量負載後，其頻寬隨及下降為 20~30 Hz，頻寬相差近十倍 之多，整體系統的效能下降非常嚴重。
1.4 研究方法
1. 設計Medium Filter降低雜訊的影響
若以低通濾波器對電流回授信號進行濾波時，雖然可降低雜訊的影響，
但常會造成回授信號有相位延遲(phase lag)的問題，所以本文將利用 DSP F2812 的硬體特性，在每次電流迴路的取樣周期內，進行多次的 ADC 取樣 與資料分析，將可得到較無雜訊的電流回授信號，使得電流迴路的響應較 佳，馬達運轉的較平順。
2. 設計線性/非線性的速度迴路控制器
在本文中將探討線性控制器的使用區間與工作限制，並實驗分析線性與 非線性控制器的優缺點。由於線性控制器的種類相當多，在此將選擇具有設 計簡單、容易實現和受系統模型(model)變化之變異性較小等優點的相位領 先-落後補償器進行設計。另外在伺服馬達控制系統的非線性特性方面，將 設計模糊控制器，使馬達在非線性的工作區間時能有較佳的控制效能。
3. 設計自動切換式Fuzzy/Lead-Lag控制器
在系統加入負載時，相位領先-落後補償器只需加入益增控制器即可補 償負載對系統的影響，而模糊控制器需進行微調才能得到較佳的較能。因此 本文整合了相位領先-落後補償器和模糊控制器的控制優點，設計一個能依 不同的負載狀況自動進行參數調整的整合型線性/非線性控制器，進而使伺 服馬達控制系統在任何工作條件或系統加入負載的清況下，皆能達到不錯的 控制效能。
1.5 論文架構
本論文共分七章，第一章旨在簡述研究的動機、目的、背景與發展，並 陳述所要研究的問題、方法、步驟。第二章介紹永磁式交流同步馬達的模型 推導、座標系統轉換與向量控制原理，並說明 SVPWM 的切換原理和整體 系統的硬體架構。第三章描述永磁式交流同步馬達閉迴路控制的建立流程，
其中包括電流回授信號的雜訊抑制，並以 PI 控制器建立電流迴路和速度迴 路。第四章描述相位領先-落後補償器(線性控制器)的設計原理，在實際系統 上實現的條件限制與工作區間，並比較各種工作條件與系統加入慣量負載的 實驗測試結果。第五章描述模糊控制器(非線性控制器)的設計原理，並比較 各種工作條件與系統加入慣量負載的實驗測試結果。
第六章描述結合線性/非線性控制器的優點，並利用自動判別負載大小 的技巧來修正切換線性/非線性控制器的時間，使得所提出的控制器能適用 於各種不同的工作條件，並當系統加入慣量負載時，皆能獲得較佳的控制效 能。最後第七章中會對本論文的研究成果做一個分析與討論。