降壓型轉換器模型驗證

在第二章中推導了降壓型轉換的的數學模型，而本節將驗證所推導之數學模 型，表4-3 為本實驗所使用的參數與所計算之值，其中電感計算所使用的輸出電 壓是根據圖2.5 最差條件 50%之輸入電壓，而電容計算則是根據圖 2.6 採用相對 最小值做安全計算，所計算出的電感值與電容值分別為 475µH 與 6.25µF，根據 所計算的值，本實驗將選用市面上可取得的 531µH 與 10µF 的電感與電容做測 試。

表 4-3 轉換器參數與計算值

參數 量值

輸入電壓 95V

輸出電壓(電感計算) 47.5V

輸出電壓(電容計算) 5V

開關切換頻率 100kHz

電流漣波值 0.5A

電壓漣波比 0.02

電感最小值 475µH

電容最小值 6.25µF

首先進行直流電阻式負載之測試，如圖 4.5 所示，其波形圖如圖 4.6 所示，

黃色與綠色訊號分別為上臂與下臂之開關訊號，而藍色與粉色訊號則為轉換器電 壓與電流訊號，圖中測試條件為55.6Ω 之電阻負載以及 50%工作週期，即輸出電 壓為47.5V 所測試之波形圖，其中電流的漣波值為 0.25A，而電壓的漣波比約為 1.37%，兩者皆符合第二章數學模型推導值。再來將測試以馬達作為轉換器負載 之驗證，圖4.7 與 4.8 為馬達於 4500rpm 下無載與滿載之轉換器波形圖，其中無 載條件下的輸出電壓為 56.3V，滿載條件下的輸出電壓為 75.5V，而從圖中可以 得知，無載條件下的電流漣波為0.17A，電壓漣波比約為 0.78%，滿載條件下的 電流漣波則為0.26A，電壓漣波比約為 0.53%，皆符合所假設之條件，而圖 4.8 中 的電壓訊號有點浮動，原因是磁粉負載在定電壓下會漸漸衰退之原因。

圖 4.5 直流電阻式負載

圖 4.6 使用電阻性負載之轉換器電壓電流波形圖

圖 4.7 馬達於 4500rpm 無載之轉換器電壓電流波形圖

Hsw Lsw Vbus Ibus

0.65V

0.25A

5us/div 55.6Ω load

DC:47.5V

DC:0.85A

4500rpm No load

Hsw Lsw Vbus Ibus

0.44V

0.17A

5us/div DC:56.3V

DC:0.26A

圖 4.8 馬達於 4500rpm 滿載之轉換器電壓電流波形圖

4.4 𝟑𝟎°延遲與𝟗𝟎°延遲之無感測器驅動驗證

由第三章的電路模型中可以得知，馬達在開關換相時所造成之相對地電壓 突波的持續時間是取決於負載電流的，當負載電流小的時候，開關所需的開關 時間短，因此電壓突波的持續時間也短，不會影響到過零點的量測，反之若是 馬達處於高負載狀態，即所需電流愈大時，過長的開關時間造成過長的電壓突 波時間進而導致過零點偵測錯誤，最後造成馬達失控。

下圖為利用傳統30°遲延無感測器驅動法之馬達測試波形圖，圖 4.9 為馬達 在4500rpm 且無負載狀態，其中黃色線與藍色線分別為變頻器 a 相與 c 相對地之

4500rpm Full load

Hsw Lsw Vbus Ibus

0.4V

0.26A

5us/div DC:75.5V

DC:1.36A

電壓，由於負載電流小，因此透過三相電壓訊號所偵測到的過零點訊號(綠色線) 與馬達的速度估測旗標(粉色線)也一切正常，使馬達能正常運轉；而圖 4.10 則為

馬達4500rpm 下的加載波形圖，可以從圖中看出，在馬達加載過程中由於漸增的 電流與開關暫態時間導致過零點偵測錯誤(圖中紅色箭頭處)，也因此造成速度旗 標訊號錯誤，在換相訊號以及速度估測訊號的雙重錯誤下，最終造成馬達失控。

4500rpm

56V

V

V

Speed flag ZCD signal

56V ZCD

ZCD

圖 4.9 利用30°延遲之馬達 4500rpm 無負載波形圖

圖 4.10 利用30°延遲之馬達 4500rpm 加載波形圖

再者是以90°延遲驅動無感測器馬達之驗證，圖 4.11 與 4.12 是馬達於 1000rpm 下無載與滿載波形圖，其中黃色線是變頻器 a 相對地電壓，無論是無載

或是滿載，經低通濾波器濾過的變頻器a 相對地電壓(藍色線)皆可以得到過零點 訊號(綠色線)，並不會因為過長的開關時間以及電壓突波有所影響，由於低通濾

波器的影響，使得過零點訊號需經由相位與幅值補償器才可以驅動六臂開關之換 相，進而得到正確的相電流(粉色線)，此外從圖中可以看到，以 PAM 驅動之相電 流並非完美弦波而是類方波，故其含有較大的五倍頻與七倍頻成分，有可能會導 致馬達效率相較於弦波FOC 驅動較低。

4500rpm

65V ZCD

ZCD

65V

fail

1000rpm

V_aN

V_aN(LPF)

Phase A current ZCD signal

14.3V

0.2A

FFT of phase A current 1^st f 5^th f 7^th f

Phase A current ZCD signal

25.2V

2A

FFT of phase A current 1^st f 5^th f 7^th f

1.11A 0.23A

0.16A

圖 4.12 利用90°延遲之馬達 1000rpm 滿載波形圖

圖 4.13 至 4.16 分別為馬達 3000rpm 與 4500rpm 下無載與滿載波形圖，實驗 結果與1000rpm 類似，低通濾波器皆有效地濾除了因過長電壓突波所造成的 ZCD 過零點偵測錯誤，且經由本論文提出的頻率相依的補償器，使得馬達能夠正常地 運轉，而電流方面也同樣地包含了較大的五倍頻與七倍頻諧波成分。

經由本節的實驗，確定了本論文所提出的90°延遲無感測器驅動解決了傳統

無感測器驅動所遇到的電壓突波問題，透過三相的RC 低通濾波器與頻率相依之

補償器，可以應用在不同轉速且不同負載狀態下的方波PAM 驅動。

圖 4.13 利用90°延遲之馬達 3000rpm 無載波形圖

3000rpm

V

V

(LPF) Phase A current

ZCD signal

43V

0.5A

FFT of phase A current 1

f 5

f 7

f

0.13A 0.056A 0.054A

圖 4.14 利用90°延遲之馬達 3000rpm 滿載波形圖

圖 4.15 利用90°延遲之馬達 4500rpm 無載波形圖

1.12A

3000rpm

VaN

VaN(LPF) Phase A current

ZCD signal

55V

2A

FFT of phase A current 1^st f 5^th f 7^th f

Phase A current ZCD signal

56V

0.5A

FFT of phase A current

1^st f 5^th f 7^th f

0.21A 0.145A 0.065A

圖 4.16 利用90°延遲之馬達 4500rpm 滿載波形圖