第五章 實作電路與結果
5.6 雙馬達實作波形
將兩組馬達線圈串接，並且電路中增設一組編碼器轉換電路，接著控制器生出相應 的開關訊號，這是本論文所提及的雙五相馬達系統的控制架構。與 5.5 類似，這一節中 會先從穩態的狀況開始呈現，接著會觀測不同相序間彼此的影響，然後才是暫態的追隨。
5.6.1 穩態運作波形
與圖 5.23 類似，圖 5.27 是雙五相馬達一起運作時 FPGA 所接收到的狀況，隨著馬 達的轉速變化，編碼器的方波訊號頻率也會有改變。由於兩組馬達的參數都一致，所以 從圖 5.27 可以看出來在各個霍爾元件產生的訊號有位準改變時，各別暫存器上的轉子位 置重置的值會一致。
20ms
1
θr
1
Ha
2
θr
2
Ha
圖 5.27 雙馬達系統下的 FPGA 內部訊號圖
圖 5.28 為兩組馬達同時運作時的狀況，在馬達 1 運轉於 2000rpm 狀況下、馬達 2 運轉於 900rpm。圖中分別顯示出經過各別的電流命令以及位置訊號後，得到兩個在峰 值以及頻率皆不相同的弦波電流命令，為方便觀測比較，取出反流器標示為 a 相線圈中 輸出對應的馬達組合，即為i*a1、ia*2。另外兩個波形則是反流器 a 相線圈的電流命令ia*，
由圖中可以看出，反流器上的電流為兩組電流的總和，為了方便表示，在這裡時間 軸從 20ms 調整為 50ms。i*a為兩組電流的加總，兩者皆為有號數而程式中使用 2 補數的 方式作為運算，2 補數的運算在某些狀況下會出現溢位的狀況。出現溢位時會有極大的 差異值產生，除了會與預期的狀況不符合之外，在 PI 中造成不穩定的現象，因此必須 要避開這樣的狀態。溢位的發生受到兩個相加減的暫存器值的影響：以最大值為 1 來表 示的話，當兩數的和大於 1 時會出現極小值，同樣的狀況會出現在負數運算當中。這樣 的狀況可以使用邏輯運算來排除，但問題在於偵測到溢位時修改兩個命令的任何一個皆 不適宜，因此在程式中設定限制器作為對應。而從ia可以看出，在雙馬達系統中反流器 的電流是混合的，因此類似圖 5.26 觀測電流對上轉速以及負載的波形，較不易觀測，此 外其現象亦接近，故於此不贅述。
* 1
ia
* 2
ia
*
ia
ia
2A
圖 5.28 M1 與 M2 共同運作圖
圖 5.29(a)以及圖 5.29(b)是在 M2 維持其轉速以及轉向的狀況下，改變 M1 的轉向，
接著利用數位轉類比的 IC 將 FPGA 內暫存器的電流命令拉出來觀測，訊號分別是 M1 以及 M2 的 a、b 相電流。由於 M1 僅有轉向的改變，而穩定後的最終轉速維持不變，所 以在 5.29(a)、(b)中 M1 電流命令的峰值以及頻率沒有變化。由第二章相序部分的介紹可 以知道，五相馬達有四種相序兩兩一組，同一組相序的差異為方向上的差異，在這裡藉 由改變電流命令的正負號來達成方向的轉變。可以看到即便是方向改變了，但 M2 的狀 態沒有變化，這表示兩組不同的相序狀態中各自的組成成分不會互相影響，彼此皆為獨 立。
20ms 2A
* 1
ia
* 2
ia
* 1
ib
* 2
ib
20ms 2A
* 1
ia
* 2
ia
* 1
ib
* 2
ib
(a)
(b)
圖 5.29 雙馬達系統轉向變動對應電流圖 (a)M1 運作於順時針方向 (b)M1 運作於逆時針方向
5.6.2 轉速變化運作波形
接著在這裡觀察雙馬達系統在運作條件改變時，其暫態的變化狀態。在圖 5.30 中 M1 的轉速為 2000rpm，M2 轉速維持轉速在 900rpm，分別改變馬達的轉速命令以及負 載變動，作圖得到 5.30(a)以及 5.30(b)。在 5.30(a)的狀況下姜 M1 的轉速從順時針 2000rpm 改成逆時針方向的 2000rpm，在命令變動時由於轉速誤差變大，使得控制進入暫態。隨 著轉速誤差收斂，控制很快就回復穩態，這部份的狀況與圖 5.26 類似，所以沒有將轉速 命令也顯示出來。圖 5.30 主要是比較暫態對不同相序接線的馬達的影響，擷取的四組波 形訊號分別是兩顆馬達回授的轉速訊號ω 、r1 ω ，以及編碼器經轉換電路後得到的定子r2 位置θ 、r1 θ 。在 M1 切換轉向時，約需時 0.5 秒至穩態；而從順時針到逆時針的期間r2 θr1 也從遞增變成遞減，這部份可以從圖 5.30 中標示θ 那一段看出來，M2 的部份維持穩r1 態。
5.30(b)則是兩組馬達在穩態的狀況下切換 M1 的負載，從 0Ω切至 100Ω，在切換 時系統進入暫態而轉速下降，經過速度控制器補償後慢慢拉回原本運作狀態，而 M2 在 這裡幾乎沒有變動。從圖 5.30 中可以看到在 M1 中的改變對 M2 沒有造成影響，在實作 中可以看出不同相序成分的電流能夠對馬達作獨立操控。
1365rpm
1
θr 1
ωr
2
ωr
2
θr
0.5s
546rpm 900rpm 1092rpm 1638rpm 2000rpm
1
θr
2
θr 1
ωr
2
ωr
0.5s 0rpm -1365rpm
(a) (b)
圖 5.30 雙馬達系統暫態圖 (a)轉速命令切換 (b)負載切換
第六章 結論
本文呈現五相馬達位置感測之速度控制，以及雙五相馬達接線設計與分析結果，並 以模擬與實驗的方式，驗證控制架構的可行性。所採用的架構主要使用由四組電流偵測 電路，以 FPGA 為實現平台，利用五相馬達相序特性達成雙馬達系統獨立控制。此外分 別利用兩組馬達的位置感測器，經過電路及程式處理得到速度以及位置資訊，進而達成 馬達的速度回授控制。整個系統的優點為利用多相馬達所具有的相序特性，使單一組反 流器可以獨立控制兩顆馬達，並且與傳統的獨立控制比較，還可以節省一組開關。
由實驗結果觀察可知在穩態時，不同負載情況下，馬達轉速皆可與轉速命令之誤差 穩定在一定的範圍內。當命令變化暫態的情況下，轉速互相切換，馬達也能夠很快的回 復到所下達的轉速命令。以暫態、穩態來看皆得到不錯實驗結果。
本文所提出的方法尚有一些缺點以及未臻完善之處。首先在雙馬達系統下運作 擔一組馬達時，另一組的馬達會有些微震動的狀況，但不影響整體系統。此狀況是出於 反流器的輸出並非理想弦波，此外反流器開關的切換頻率以及切換時電路狀態的變動也 會有影響，因為開關控制方式而隨之產生的 dead-time 也是造成輸出不理想的原因。
若能在電路設計方面再做處理、更換開關模組，則此現象可以得到改善，更趨近於 當初在模型推導的狀態。而在此架構中，利用實作證明了多相馬達的獨立操作，假若可 以將相數再做提升，則單一組的反流器以及控制晶片能夠處理的馬達數量能夠再增加，
使得此種控制架構更具有競爭優勢。
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