開路故障過渡控制模擬

第三章三相永磁同步馬達開路故障偵測

3.3 開路故障過渡控制模擬

前一節介紹了兩種不同的故障偵測方法，當系統經由這兩種偵測方法偵測出 故障發生後，將馬達的中性點 n 連接至前端電源側之兩顆電容中點 o ，由第二章 的推導結果可知，馬達在單相開路故障發生後轉速以及轉矩會產生漣波，而將中性點連接至電容中點後，可以有效的抑制漣波的產生，使馬達運轉穩定，故本節將採取此種控制方法，模擬馬達開路故障後的控制。

圖 3.18 中顯示了當馬達中性點尚未連接電源側之電容中點時轉速以及轉矩的漣波相當大，而在圖 3.19 中則由前一節所提之故障偵測法偵測出故障發生，

控制馬達中性點連接至電容中點，其間之故障偵測經過了 3.64ms，可以看出此過渡控制方法明顯改善了轉速以及轉矩的漣波大小。

Tem

r

ia i_b i_c

圖 3.18 馬達中性點未連接電容中點時之轉速及轉矩

2005 1910 1815 -20 -10 0 10 20

r

Tem

20ms

1 ^a

3.64ms

ib i_c

0 4 8 12 16

圖 3.19 馬達中性點連接電容中點時之轉速及轉矩

第四章

實作電路與結果

4.1 實作電路

4.1.1 實作電路架構與平台

本論文之開路故障偵測與控制實作，以 Xilinx 公司的 Spartan3 XC3S400 為實現開路故障偵測之控制平台。主要包括了兩個三相八極永磁同步馬達、控制電路有線圈開路電路、驅動電路及由開關元件 IGBT 所組成之反流器電路，實作上的控制架構如圖 4.1 所示。線圈開路控制電路由 FPGA 產生SW 、_a SW 訊號控制_n 繼電器(Relay)G5PA-1-8，進而控制繼電器 S-P21，達到線圈開路的控制。數位類比轉換電路是對電流命令及實際電流進行觀察，了解馬達實際電流是否達到電流命令。開關驅動電路自 FPGA 接收六個開關訊號，進行隔離放大，用以驅動開關元件 IGBT。



Ta Tb Tc



Ta Tb Tc

Vdc

2 Vdc

ias i_bs ics

b c

CLK SDATA CONVST SFRM MAX121 CLK SDATA CONVST SFRM MAX121 CLK SDATA CONVST SFRM MAX121

' A B'Z' Z

B A Z B A, , , , ,

a

vGS_,













n SWn

SWa

SWn

SWa a

vGS_, vGS_,bvGS_,bvGS_,cvGS_,c

實際實作電路照片如圖 4.2 所示。實作電路分成四層，最底層為 IGBT 元件開關電路，上一層為開關驅動電路，第二層為數位類比轉換電路，最上層為 FPGA 控制板，照片左下角為實作時模擬開路故障所使用之繼電器。

圖 4.2 實作電路照片

圖 4.3 為本實作所使用馬達連接圖，共有兩組馬達。一組為驅動馬達，經由反流器輸出電壓使得驅動馬達轉動，另一組為發電端馬達，外接負載電阻 200Y 接。

圖 4.3 實作馬達照片

表 4.1 為本次實作之相關參數，其中直流鏈電壓選用 300V、電源側之電容 為 1880 F 兩顆串聯、三角波頻率選用 12.5kHz、負載電阻選用 200Y 接、額定電流峰值為 7.78A。

表 4.1 實作相關參數直流鏈電壓 V_dc 300V 電源側電容值 1880 *2 F

三角波頻率 f_tri 12.5kHz R L 200 Ibase 7.78A

4.1.2 開關驅動電路

一般控制器無法直接推動主電路之開關，均會在控制電路與主電路之間再加入閘極驅動電路，為了安全起見，閘極驅動電路會加入光耦合 IC，使主電路和控制電路隔離，萬一主電路燒毀時不會影響至控制電路。

如圖 4.4 所示，由 FPGA 設計好的 PWM 開關訊號連結到開關驅動電路，用以驅動主電路中的 Power MOS 開關訊號，其架構是由一個 TLP250 光耦合 IC 作為隔離的用途，在輸入 PWM 為高電位時，腳位 8、6 將會導通，因此透過後級電路的設計可以使 Gate 端與 Source 端產生大約 16V 的電壓使 IGBT 導通，而當輸入 PWM 為低電位時，腳位 6、5 將會導通而此時可以使 Gate 端與 Source 端產生約-8V 的電壓，完全使 IGBT 截止。

 0 22

V mF 35

1 1F

 k 10

 0 2

 k 100

圖 4.4 開關驅動電路

4.1.2 編碼器轉換電路

由於此控制架構需要馬達編碼器的訊號，而其輸出容易被馬達運作時之雜訊所影響，所以在 FPGA 發展版接收訊號前，需經過轉換電路處理，使用差動放大電路 IC 2632 為一常見於編碼器訊號處理的手段。此 IC 的主要作用是藉由一組相互反向的輸入訊號相減取其差值為輸出，將輸入訊號所混入的環境雜訊相消掉來取得真正的訊號，對於一般的環境雜訊而言有著顯著的效果存在。馬達其編碼器在每一相上均輸出兩組訊號，分別為訊號及訊號的反相。把此兩組訊號接到 IC 2632 特定腳位作為輸入，如此經由 IC 處理訊號後可以取得一組理想的輸出訊號。故在本實作中馬達編碼器採用搭配 IC 2632，經 IC 2632 輸出除雜訊後的編碼器訊號送至 FPGA 發展版。而各組訊號及輸入腳位與輸出腳位如下圖 4.5 所示。

A A

B B B'

Z Z Z'

圖 4.5 編碼器轉換電路

4.1.3 數位類比轉換電路(DAC、ADC)

-15V 10pF 15V Current Sensor

10K

0.1uF 0.1uF

-15V

2 3

圖 4.6 數位類比轉換電路 (a)A/D 轉換電路(b)D/A 轉換電路

4.2 馬達開路故障偵測實作

4.2.1 平均電流偵測法錯誤偵測實作

為了驗證先前第三章所提到的錯誤偵測區域，將馬達轉速在 7 秒內由 2000rpm 隨時間下降至 0rpm，並且實作在不同負載電阻時之錯誤偵測區域變化。

圖 4.7 及圖 4.8 觀察在固定取樣數N 分別設為 47、24、12 以及 6，並且負載電阻分別為200 Y 接以及100Y 接之故障偵測圖。可以看出當固定取樣個數N越小時，其錯誤偵測發生的時機也就越早，代表其正確的故障偵測區域越小。

r

FTa

r

FTa

r

FTa

r

FTa

圖 4.7 平均電流偵測法之錯誤偵測區域(R_L  200) (a)N 47, I_th 0.34(A) (b)N 24,I_th 0.34(A) (c)N 12,I_th 0.34(A) (d)N 6,I_th 0.34(A)

1s 5A ia

r

FTa

0.27

1s 5A ia

r

FTa

0.41

1s 5A ia

r

FTa

0.68

1s 5A ia

r

FTa

0.49

(a) (b)

6A 6A

圖 4.8 平均電流偵測法之錯誤偵測區域(R_L  100) (a)N 47, I_th 0.34(A) (b)N 24,I_th 0.34(A) (c)N 12,I_th 0.34(A) (d)N 6,I_th 0.34(A)

(a)

0.27 0.41

0.49 0.69 0.68



4.2.2 電流餘值偵測法錯誤偵測實作

由之前模擬結果可以知道將電流餘值偵測法之K值增加時，錯誤偵測之區域會縮小，而實際運用電流餘值偵測法其實作結果如圖所示，將馬達轉速隨時間降低，觀察不同K值下其錯誤偵測發生之位置，圖 4.10(a)為當K 1.1時之偵側結果，其偵測錯誤區域發生於轉速小於 0.9 倍之額定轉速時；圖 4.10 (b)為當K 1.5 時之偵側結果，其偵測錯誤區域發生於轉速小於 0.65 倍之額定轉速時；圖 4.10 (c) 為當K 1.9時之偵側結果，其偵測錯誤區域發生於轉速小於 0.5 倍之額定轉速時。由以上之結果可知，當K值越小，則其能夠正常偵測故障的範圍也越小。將此圖與圖 3.8 相互對照，可以看出實作結果與理論值互相吻合，得以驗證電流餘值偵測法之錯誤偵測區域。

.) . (pu

r

FTa

.) . (pu

r

FTa .)

. (pu

r

FTa

ia ia

圖 4.10 電流餘值偵測法之錯誤偵測 (a) K 1.1 (b) K 1.5 (c) K 1.9

4.3 馬達開路故障過渡控制

4.3.1 平均電流偵測法實作

為了實現馬達線圈開路故障之情況，本論文實作部分將只針對 a 相線圈進行 線圈開路，圖 4.11 為將馬達操作在 1000rpm 下運作之馬達三相電流波形以及故障偵測訊號，其中i 、_a i 、_b i 各相差 120 度並且電流峰值為 1 安培。 _c

FTa

ib i_c

圖 4.11 馬達三相電流波形以及故障偵測訊號

為了驗證第三章中所模擬之平均電流偵測法之偵知速度，圖 4.12-4.13 為使用平均電流偵測法來偵測開路故障的實作圖，將固定取樣數N分別設為 47、24、

12 以及 6，觀察其故障偵知的速度，圖 4.12(a)固定取樣數N 為 47，其偵知出故障發生所用的時間為 4ms，圖 4.12(b)固定取樣數N為 24，其偵知出故障發生所用的時間為 2 ms，圖 4.13(a)固定取樣數N為 12，其偵知出故障發生所用的時間為 1ms，圖 4.13(b)固定取樣數N為 6，其偵知出故障發生所用的時間為 0.5ms。

由以上結果可知，固定取樣數越小時，其故障偵知所需的時間就越短。其中馬達中性點分別於t 、₁ t 、₂ t 以及₃ t 連接至電源測電容中點。 ₄

(a) 4ms

20ms

2ms

20ms (b)

FTa

ib i_c

2A t1

圖 4.12 平均電流偵測法在不同固定取樣個數下之故障偵知速度 (a)固定取樣個數N 47, I_th 0.34(A) (b)固定取樣個數N 24,I_th 0.34(A)

(b) (a) 1ms

FTa

ib ic

FTa

ib i_c

0.5ms

20ms

20ms 2A

圖 4.13 平均電流偵測法在不同固定取樣個數下之故障偵知速度 (a)固定取樣個數N 12,I_th 0.34(A)(b)固定取樣個數N 6,I_th 0.34(A)

4.2.4 電流餘值偵測法實作

圖 4.14 為使用電流餘值偵測法下時之故障偵知結果，當此方法操作在不同K 值下時，可以看出其故障偵知速度皆為 4ms，可知不同的K值並不影響其偵知速度。其中馬達中性點分別於t 、₁ t 、₂ t 連接至電源測電容中點。 ₃

(a) FTa

ib i_c

20ms 4ms

(b) 4ms

FTa

ibi_c

4ms FTa

ibi_c

(c)

2A 20ms

20ms t1

圖 4.14 電流餘值偵測法在(a)K 1.1(b)K 1.5(c)K 1.9下之故障偵知速度

第五章結論

本文呈現單反流器供電之三相永磁同步馬達開路故障偵測與控制，從三相永磁同步馬達的推導開始，再分析探討三相馬達接線方式，並以模擬與實驗的方式，驗證偵測與控制方法的可行性。

所採用的偵測架構主要使用電流平均偵測法及餘值電流偵測法，前者利用計算出電流平均值是否小於故障取樣點來判斷是否發生故障。後者經由計算後得到三個餘值，若其中有餘值為正則代表該相發生故障。

在平均電流偵測法中，所選擇的固定取樣個數N越小，其偵知故障的速度較快，但錯誤偵測的風險也隨之增加，可說是有利有弊，並且此偵測法並不適用於負載小之情況。

而在電流餘值偵測法中，K值並不會影響偵知故障的速度，但是若K值越小，則錯誤偵測的風險也隨之增加，故當使用此偵測法時，將K設定於越接近 2 的值效益越好，並且此偵測法適用於任何大小之負載。

在故障過渡控制的部份在連接馬達中性點後轉速及轉矩尚有些許之震盪情況，如何更進一步改善此控制架構下馬達之運轉，是未來可繼續探討深究的。

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在文檔中三相永磁同步馬達之線圈開路故障偵測及其過渡控制 (頁 65-0)

第三章 三相永磁同步馬達開路故障偵測

3.3 開路故障過渡控制模擬

第四章

實作電路與結果

4.1 實作電路

4.1.1 實作電路架構與平台

4.1.2 開關驅動電路

4.1.2 編碼器轉換電路

4.1.3 數位類比轉換電路(DAC、ADC)

4.2 馬達開路故障偵測實作

4.2.1 平均電流偵測法錯誤偵測實作

4.2.2 電流餘值偵測法錯誤偵測實作

4.3 馬達開路故障過渡控制

4.3.1 平均電流偵測法實作

4.2.4 電流餘值偵測法實作

第五章 結論

參考文獻

第三章三相永磁同步馬達開路故障偵測

第五章結論