Fuzzy 控制器追蹤方波

4.2 模糊控制器實驗

4.2.1 Fuzzy 控制器追蹤方波

利用訊號產生器給予一個週期為 5 秒的方波作為速度參考訊號，

如圖 4.13 所示。由圖 4.14 可以看到 PID 控制器，不論轉速是由 0rpm 到 1500rpm 或 1500rpm 到 0rpm，都需要花費約 0.25 秒的時間作為反應時間。圖 4.15 為速度誤差，控制器依此誤差作為加速與減速的依據，

最後透過示波器顯示實際給予的參考訊號與轉速計量測到的電壓變化，

如圖 4.16 中圈起來的地方，可以見到快速的速度變化間，有著約 0.25 秒的追蹤落差與 PID 控制器相差不遠。

圖 4-13 Fuzzy 控制器方波輸入參考訊號

圖 4-14 Fuzzy 控制器-追尋方波響應圖

圖 4-15 Fuzzy 控制器-速度誤差

圖 4-16 參考訊號與轉速計電壓變化

71 4.2.2 Fuzzy 控制器追蹤弦波

利用訊號產生器給予一個週期為 0.75 秒的弦波作為速度參考訊號，如圖 4.17 所示。由圖 4.18 可以看到 Fuzzy 控制器修改了 PID 控制器於轉折點處追不到速度的問題，如圖 4.19 顯示，速度誤差由 40rpm 下降至約 10rpm，明顯的修正追蹤弦波上的速度。圖 4.20 中，透過示波器可以見到 Fuzzy 控制器明顯的改善 PID 控制器在停止後重新啟動上所遇到的問題。

圖 4-17 Fuzzy 控制器弦波輸入參考訊號

圖 4-18 Fuzzy 控制器-追尋弦波響應圖

圖 4-19 Fuzzy 控制器-速度誤差

圖 4-20 參考訊號與轉速計電壓變化 4.2.3 Fuzzy 控制器追蹤三角波

利用訊號產生器給予一個週期為 0.75 秒的三角波作為速度參考訊號，如圖 4.21 所示。由圖 4.22 可以看到與弦波一樣 Fuzzy 控制器修改了 PID 控制器於轉折點時，改善了速度尚未追到所產生的誤差，如圖 4.23 顯示，明顯的縮小誤差，使速度誤差一直維持在約 40rpm 的範

圍。圖 4.24 中，可看見在於低轉速時，原本在 PID 控制器中會產生的一段時間不受控制器的控制的問題，透過 Fuzzy 控制器感善了其問題，

使得追蹤訊號更為平順。

圖 4-21 Fuzzy 控制器三角波輸入參考訊號

圖 4-22 Fuzzy 控制器-追尋三角波響應圖

圖 4-23 Fuzzy 控制器-速度誤差

圖 4-24 參考訊號與轉速計電壓變化

4.3 馬達轉速與 PWM 關係

圖 4.25 為馬達轉速由慢至快的電晶體中其中一組上下臂 PWM 波形，訊號一為上臂電晶體 PWM 訊號，訊號二為下臂電晶體 PWM 訊號，轉速從 100rpm~1500rpm 的變化。

圖 4-25 低速至高速 PWM 變化

將圖 4.25 中的 1~3 放大，如圖 4.26~圖 4.28 所示，由於本系統是 Active Low 的模式，所以 PWM 為零的狀態是變頻器中六個電晶體的導通，圖中兩條紅線就是 Dead time，為了避免上下臂同時導通，使得電晶體損壞，必須有 Dead time 的設計，圖 4.26~圖 4.28，所給予的週期是固定 10ms，可以見到速度越快 PWM 越是密集。

圖 4-26 低轉速上下臂 PWM 狀態

圖 4-27 中轉速上下臂 PWM 狀態

圖 4-28 高轉速上下臂 PWM 狀態

4.4 實驗結果

透過 (Mean-square-error, MSE)計算其誤差平均值，如公式 4.1，。

E= ∑^N_j=1e_j²/ (4.1)

其中 E 為均方誤差，e 為誤差，共取樣 N 點

表 4-1 MSE 比較

MSE 方波弦波三角波

PID控制器 90.2778 36.0833 51.3333

Fuzzy控制器 63.3333 18.9722 22.5278

由表 4.1 可以見到 PID 控制器與 Fuzzy 控制器在追蹤訊號之間的比較，很明顯的可以見到透過我們設計的模糊控制器可以修正 PID 控制器上無法順利追蹤的問題，且誤差明顯的下降許多。

第5章結論與未來方向

5.1 研究結論

本論文研究成果實現了無感測技術應用在無刷直流馬達上，且透過 Fuzzy 控制器修正了 PID 控制器在於低轉速上所產生的問題。

整個系統的優點是利用了無感測器技術，不但節省了感測器的價錢，且透過平均端電壓法，節省不少電路的設計即可達到一樣的目的。

5.2 研究未來方向

本論文使用 dsPIC 與外部硬體結合實現了無感測技術，但由於在低轉速上控制上能可以研究如何可以以更快的方法取得換相訊號，而不是使用開迴路模式等到一定的狀態方能得知換相訊號，使在低轉速上會遇到的控制麻煩，雖然論文利用 Fuzzy 控制器改善了此問題，但對於快速的速度變化仍然無法完美的改善，依然具有微量的速度誤差。

參考文獻

[1 ] S. M. M. Mirtalaei, J. S. Moghani and M. Shahbazi “A Novel Sen so r l es s Con tro l S t ra t eg y for Brushless DC Moto r D riv e Ba sed o n Fuz zy L o g i c Ob se rv er , ” Universities Power Engineering Conference, pp.1-5, Dec.2007

[2 ] C. H. Ch en and M. Y. Ch eng, “A New Cost E ffectiv e S en sorless Commutation Method for Brushless DC Motors Wi thout Phase Shift Circuit and Ne utral Voltage,” IEE E Tran s. Power Electron., vol.22, no.2, pp.644-653, Mar. 2007

[3 ] J. C. Moreira, “Indirect Sensing for Rotor Flux Position of Perman en t Magn et AC Motors Op er at in g fo r a Wid e Sp e ed Range,” IEEE Tran s. Ind. A pplicat. , vol.32, no.6, pp.1394-1401, Nov./Dec. 1996

[4 ] K. Iizuka, H. Uzuhashi, M. Kano, T. Endo, K. Mohri,

“M icro co mpu ter Contro l for Sensorless Brushless Motor, ” IEEE Trans. Ind. Applicat. , v ol. 2 1 , no .4 , p p .595-601, May/June 1985

[5 ] TB6575FNG: PWM Sensorless Contro ller for 3-Phasw Full-Wave BLDC Motors , Datash ee t, Tosh ib a CMOS Integ rated Circuit Silicon Monolithic, April 2005.

[6 ] ML4425: S e n so r l e ss B L D C M o t o r C o n t ro l l e r, D a t a sh e e t , Fairchild Semi conductor Inc., July 2001.

[7 ] L . A . J o n es an d J. H . L an g , “ A S t a t e O b se r v e r f o r t h e Permanent-Magnet Syn ch rono u s Mo to r, ” IEEE Trans. Ind.

Electron., vol.36, no.3, pp. 374-382, Aug. 1989.

[8 ] N . H . B a e, S . K . S u l, an d J . H . K wo n , “ I mple men ta tion o f Sensorless Ve ctor Control fo r Sup er-High-Speed PMSM of Turbo-Comp ressor,” IEEE Trans. Ind. Applicat., v ol.3 9, no .3 , pp.811-818, May/Jun. 2003.

[9 ] S . M o r i mo t o , M . S a n a d a , and , Y. Tak e da, “Wide-sp eed Operation of Interior Perman e n t M a g n e t S y n c h r o n o u s M o t o r s with High-Performance Current Regulator,” IEEE Trans. Ind . Applicat., vol.30, no.4, pp. 920-926, July 1994

[10] G. J. Su and J. W. Mckeever, “Low-Cost Sensorless Control of Bru shless DC Mo tors w ith I mp r o v e d S p e e d R a n g e , ” IEEE Trans. Power Electron. , vol.19, no.2, pp.296-302, Mar. 2004 [11 ] H. Ch en, Y. Ch ang , S . L in , C. Hu ang , Y . Ch en , and K . Liang ,

“Senso rless control for dc inverter-fed compresso rs,” in P r o c . APEC’04, Anaheim, CA, 2004, pp. 1100–1106.

[1 2 ] S . N a k a s h i ma , Y. I n a g a k i , a n d I . M i k i , “ S e n sor l e s s I n i t i a l R o t o r Position Estimation of Surface Permanent-Magnet Synchronous Moto r, ” IEEE Trans. Ind. Applicat., v o l . 3 6 , n o . 6 , pp.1598-1603, Nov./Dec. 2000

[13] J. Shao, D. Nolan, M. Teissier, and D. Swanson, “A novel mi cro co n tro l l er -b a s ed s en s o rl e s s b r u sh l e s s d c (BL DC ) mo to r driv e fo r auto mo tive fu el p ump s,” IEEE Trans. Ind. Appl., v o l . 39, no. 6, pp. 1730–1740, Nov./Dec. 2003.

[1 4 ] J. X. Shen, Z. Q. Zhu , and D. Howe, “Sen so rless Flux Weak enin g Contro l of P e rmanen t Magnet Brush less Mach in es using Third-Harmonic Back-EMF” IEEE Trans. Ind . Ap plicat., vol.50, no.6, pp.1629-1636, Nov. /Dec. 2004

[15] “dsPIC30F Family Reference Manual,” D S 7 0 0 4 6 B , M i cro ch ip T ech no lo gy I nc., 2 0 03

[1 6 ] S . M o r i mo t o , Y. Tak e d a , T. H i r a sa , a n d K . Tan i g u c h i ,

“Expansion of operating limits for permanent magnet mo tor by cur r en t v ec to r co n trol considering inverter capacity, ” IEEE Trans. Ind. Applicat. , vol.26, no5, pp.866- 871, Sep./Oct. 1990.

[1 7 ] C. H. Ch en, W. C. Tai, and M. Y. C heng, “A naly sis o f a cost E ff e c t i v e Z e r o E m i s sio n Scooter Drive,” in p ro c . o f t h e 2 5^{t h} EPE Conf., Ta i n a n , Ta i w a n , pp.1329-1334, Nov.2004.

[1 8 ] Y. S . L a i , F. S . S h y u , a n d Y. H . Ch an g , “No v el L o s s R e d u c t i o n Plu sew id th Modu latio n Te c h n i q u e f o r B ru s h l e s s D C M o t o r Drives Fed by MOSFET Inverter,” IEEE Tr ans. Power Electron., vol.19, pp.1646-1656, Nov. 2004

[1 9 ] Q . J i a n g , C . B i , a n d R . H uang, “A new phas e-delay method to detect back EMF zero -cro ssing po ints fo r sensorless control of spind l e mo tors,” IEEE Trans. Magnetics, v o l . 4 1 , n o . 7 , p p . 2287–2594, Jul. 2005

[2 0 ] J . S h a o , D . N o l a n , a n d T . H o p k i n s , “ A N o v e l D i r e c t B a c k E M F Detection for Sensorless Brushless D C (BLDC ) Moto r Driv es,”

Applied Power Electronic Conference, p p . 3 3 - 3 8 , 2 0 0 2 .

[2 1 ] N. Ma t su i, “ S en so rl e s s PM Bru sh l e s s DC Mo to r D r iv e r, ” I E E E Trans. Ind. Electron., vol.43, no.2, pp.300-308,Apr. 1996 [2 2 ] J . S . K i m an d S . K . Su l, “N ew ap p ro ach fo r h ig h -p er fo r man c e

P M S M d r i v e s w i t h o u t r o t at i o n a l p o s i t i o n s e n s o r s , ” IEEE Trans.

Power Electron., vol. 12, no. 5, pp. 904-911, Sept. 1997.

[23 ] S. Og asawara and H. Akag i, “An approach to position s en so r le s s d r ive f o r b ru sh l e ss DC mo to r, ” IEEE Trans. Ind.

Applicat., vol. IA-27, no. 5, pp. 928-933, Oct. 1991.

[24 ] Y. S . L a i , F. S . S h y u , a n d S. S. Tseng, “New initial position detection technique for three-phase brushless DC mo tor without position and curr ent sensors,” IEEE Trans. Ind. Applicat. , v o l . 39, no. 2, 99. 485-491, Mar. /Apr. 2003.

[25 ] W. J . L e e a n d S . K . S u l , “ A new starting method o f B L D C mo t o r s without positio n s e n s o r, ” IEEE Trans. Ind. Applicat. , v o l . 4 2 , no. 6, pp. 1532-153, Nov./Dec. 2006.

[26 ] Z ad eh , L .A. , “Fu zzy s et s , ” Information and Contro l, vol.8, pp.338-353

[2 7 ] Wi told P edry c z, “Fuzzy Co ntro l and Fu zzy S ystem,” Research Studies Press Ltd, 1989

[2 8 ] C . C . L e e , “ F u z z y l o g i c in cont rol sy st e ms: fuzzy logic controller, part II,” IEEE Tr ans. on S M C . , 2 0 ( 2 ) : 4 1 9 - 4 3 5 , 1 9 9 0 [2 9 ] C . C . L e e , “ F u z z y l o g i c in cont rol sy st e ms: fuzzy logic

controller, part I,” IEEE Tran s. on S MC. , 2 0 ( 2 ) : 4 0 4 - 4 1 8 , 1 9 9 0

[30 ] M. Mi zu mo to and H. J. Z i mmer ma n , “Co mp ar i so n o f fuz zy reasoning me thods,” F u z z y S e t s a n d S y s t e m s , vol.8, No.3, PP.253-283, 1982

[31 ] J. F. B a ld win, “A n ew appro ach to ap proximate reasoning using f u z z y l o g i c , ” Fuzzy Sets and Systems , 2 , pp.309-325, 1979 [32 ] Leh Luoh, Wen-June Wang, Yi-Ke Liaw, “ New algorithm for

solving fuzzy relation equations,＂ Mathematics and Computers in Simulation, vol. 59, Issue:4, pp. 329-333, June 1, 2002.

[3 3 ] Qu ad r ad o , J .C .; Fern ando Silv a, J.“O n th e elimin ation of steady-state errors with an “ela s t i c ” f u z z y p o s ition controller for mo tor d r ives,” Industrial Electronics, Contro l, and Instrumentation Conference, v o l . 1 , pp.194-199, N o v, 1 9 9 3

[34] Woo-Yong Han, Sang-Min Kim’, Sung-Joong Kim, Chang-Goo Lee “Sensorless Vector Control of Induction Motor using Improved Self-Tuning Fuzzy PID Controller,” S I C E A n n u a l Conference in Fukui, August 4-6,2003

[35] 孫清華，“最新無刷直流馬達＂，全華科技圖書，Dec. 2001

個人簡介

姓名：陳偉哲

就讀學校：國立台灣師範大學

系所：工業教育研究所-電機電子組學歷：私立逢甲大學自動控制工程學系專長：IC 應用

研究方向：模糊控制器應用於無感測技術著作：

1. “ Implementation of Sensorless Brushless DC Motor Control,＂第十五屆模糊理論及其應用會議

2. “PID Control of Brushless DC Motor without sensors,＂2008 中華民國系統科學與工程研討會

3. “離心鑄造法於奈米製程上之新應用,＂鑄造科技 212 期

4. “淺談高職 98 課程之發展與探討,＂2007 海峽兩岸高等技術與職業教育學術研討會

5. “台灣、日本與澳洲技職教育未來發展之比較,＂高等教育治理與發展之各國經驗分析與比較國際學術研討會

在文檔中模糊控制器應用於無感測器無刷直流馬達 (頁 81-0)