同步框轉換之三相電流控制

有鑑於PI-SPWM 與 PI-MDFQM 在相電流相位追隨上有些許的落後，因此我們把 此兩種電流控制轉換至同步框上控制，使得PI 型控制器只需追隨定值致使穩泰誤差為 零。下圖4.25 為模擬架構圖，由三相電流命令與回授三相電流進入同步框轉換後，接著 進入PI 型控制器做控制輸出 d-q 平面之電壓命令，最後再由同步框反轉換輸出平衡三相 電壓命令至不同三相直交流調變產生出開關訊號。在此一提，本模擬只包含了本文中的 SPWM 與 MDFQM 兩種方法，而 MDFQCC 因為無 PI 型控制器所照成的命令追隨落後，

故在此MDFQCC 並不加入同步框轉換模擬。

d-q Plane Current Controller

圖4.25 SPWM 與 MDFQM 同步框轉換之三相電流控制模擬架構圖

模擬主要著眼於馬達穩態，分別在不同的穩態轉速下記錄其電流波形。在模擬中我 們區分6 個轉速與兩組負載分別為500rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm 與3000rpm以及50Ω與100Ω。利用外轉速閉迴路控制產生電流命令，接著再經由內電 流閉迴路控制產生電壓命令與回授電流輸入至三相電流控制產生開關訊號。下圖4.26

rpm ω_r500

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r500

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

(c) 10ms

A 1

rpm ω_r500

(d) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r500

圖4.26 同步框電流控制於轉速500rpm電流波形圖



 100

RL , (a) SPWM 控制 (b) MDFQM 控制



L  50

R , (c) SPWM 控制 (d) MDFQM 控制

rpm ω_r1000

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1000

(b) 10ms

A 1

ia a*

i

ms 10

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1000

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1000

(d)

圖4.27 同步框電流控制於轉速1000rpm電流波形圖



 100

RL , (a) SPWM 控制 (b) MDFQM 控制



L  50

R , (c) SPWM 控制 (d) MDFQM 控制

rpm ω_r1500

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1500

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

ms 10

A 1

ia a*

i

rpm ω_r1500

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r1500

(d)

圖4.28 同步框電流控制於轉速1500rpm電流波形圖



 100

RL , (a) SPWM 控制 (b) MDFQM 控制



L  50

R , (c) SPWM 控制 (d) MDFQM 控制

rpm ω_r2000

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2000

(b) 10ms

A 1

ia a*

i

ms 10

A 1

ia a*

i

rpm ω_r2000

(c) 10ms

A 1

ia a*

i

rpm ω_r2000

(d)

圖4.29 同步框電流控制於轉速2000rpm電流波形圖



 100

RL , (a) SPWM 控制 (b) MDFQM 控制



L  50

R , (c) SPWM 控制 (d) MDFQM 控制

rpm ω_r2500

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2500

(b) 10ms

A 1

ia

*a

i

ms 10

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2500

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r2500

(d)

圖4.30 同步框電流控制於轉速2500rpm電流波形圖



 100

RL , (a) SPWM 控制 (b) MDFQM 控制



L  50

R , (c) SPWM 控制 (d) MDFQM 控制

rpm ω_r3000

(a) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r3000

(b) 10ms

A 1

ia a*

i

ms 10

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r3000

(c) 10ms

A 1

ia

*a

i

rpm ω_r3000

(d)

圖4.31 同步框電流控制於轉速3000rpm電流波形圖



 100

RL , (a) SPWM 控制 (b) MDFQM 控制



L  50

R , (c) SPWM 控制 (d) MDFQM 控制

經由模擬可發現SPWM 與 MDFQM 電流追隨電流命令在振幅及相位上與之前三相

rpm

rpm

rpm

rpm

rpm

由電流頻譜我們可以發現比起三相電流控制，我們可以看到同步框的電流控制所產 生出的電流基本波比三相電流控制來的小。造成這現象的主要原因是因為同步框有較佳 的相位追隨，因此傳統SPWM 與文獻所提之 MDFQM 只需要較小的電流基本波即可使 得三相反流器輸出馬達所需功率使馬達轉動於指定轉速，至於電流諧波方面與三相電流 控制沒有太大的差別。接著我們以同步框轉換計算其反流器至負載電阻上的轉換效率，

下圖4.38 為 PI 型控制的 SPWM 與 MDFQM 及同步框之 SPWM 與 MDFQM 的轉換效率 曲線圖。

rpm

500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm

(a) 91

92 93 94 95 96 97 98 99 100

P (%) P

M G

MDFQCC MDFQM

-PI

SPWM

-PI

SPWM 同步框

MDFQM

 同步框

rpm

500 1000rpm 1500rpm 2000rpm 2500rpm 3000rpm

91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

90 P (%) P

M G

MDFQCC MDFQM

-PI

SPWM

-PI

SPWM 同步框

MDFQM

 同步框

由轉換效率曲線圖可以發現到，SPWM 與 MDFQM 因為使用同步框轉換後做控 制，其電流相位追隨較佳因而使得電流基本波較低。此即意味著在同樣的轉數命令下，

使用同步框做電流控制的三相反流器只需輸出較PI 型控制少的能量即可使得馬達轉動 於指定轉速，因而使得轉換效率有所提升，但同步框轉換控制下的SPWM 與 MDFQM 其轉換效率還是略低於MDFQCC 一點。

現今控制馬達之方式普遍上來說均已同步框做轉換後再加以控制，因此本文在此以 模擬的方式驗證文獻所提三相直交流調變於同步框轉換控制的可行性。而在本文實作當 中因為礙於運算平台的資源限制，因此本文並無使用同步框轉換應用於三相直交流調變 SPWM 及 MDFQM 上，而是使用如上節所示之三相電流控制的方式去控制馬達連線端 上的電流。

第五章

實作電路與結果

5.1 實作電路

5.1.1 實作電路架構與平台

閉迴路三相電流控制實作，以Xilinx之Spartan系列中XC3S250E的晶片為實現三相 電流控制平台。主要包括了兩個三相四極直流無刷馬達、功率級電路、編碼器轉換電路，

並有數位類比轉換電路及開關驅動電路。實作上的三相電流控制實作架構，如圖5.1所 示。數位類比轉換電路是對電流命令及實際電流速進行觀察，以利於了解馬達實際電流 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IGBT模組。IGBT模組為使用Mitsubishi公司所生產之型號PS21565-P DIP-IPM。實際 實作電路照片如圖5.2與圖5.3所示。

ia

ic



Ta T_b^ T_c^



Ta T_b^ T_c^

a

G

Ga

c

G

b

G

b

G

c

G a

b c

RL

 a

VGS_,V_GS^_,aV_GS^_,bV_GS^_,bV_GS^_,cV_GS^_,c Vdc

2 Vdc

2 Vdc

Z , B , A A,B,Z,

A' B^' Z^'

RL

RL

圖5.1 實作整體架構

圖5.2 實作電路照片

圖5.2 為本論文所使用之現場可規劃邏輯閘陣列發展板以及三相反流器與驅動電 路。發展版型號為UBD-Spartan3E-ST3E。其核心為 Xilinx 公司研製，型號為 Spartan-3E XC3S250E，並配合 Xilinx ISE 10.1i 之軟體進行電路之撰寫及模擬。此核心內含 4896 個 4 輸入 LUT(Look-Up Table)及 Slice 正反器(Slice Flip-Flop)，封裝為 PQFP 208 隻腳位，

其中可供使用者使用之腳位有158 隻。此外，還包含了有 12 個 18K-bits 的 Block RAMs，

12 個 18 乘 18 的硬體乘法器。實驗板上則提供 8 個指撥開關及 LED 介面及 40MHz 之石 英震盪器等。本論文以FPGA 實現三相電流控制，下表 5.1 為不同三相電流控制下 FPGA 使用率分析表。而下圖5.3 為實作馬達連接圖，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。第二組為發電端馬達，與模擬一樣其馬達外接兩組 負載電阻100ΩY接或50ΩY接，觀察不同負載下的實作結果。

表5.1：FPGA 使用率 Logic

Elements 可使用 SWPM 已使用 (使用率)

MDFQM 已使用 (使用率)

MDFQCC 已使用 (使用率) 4 Input LUTs 4896 3346(68%) 4452(95%) 1145(23%)

Slice

Flip-Flops 4896 674(13%) 987(20%) 383(7%)

IOBs 158 39(24%) 40(25%) 40(25%)

Block RAMs 12 12(100%) 12(100%) 12(100%) MULT 18*18s 12 12(100%) 6(50%) 6(50%)

5.1.2 開關驅動電路

如圖5.4 所示，從 FPGA 取得開關訊號進入開關驅動電路，接著產生足夠大的 電壓以驅動主電路中IGBT 開關模組。開關訊號首先由光耦合 IC HCPL-M601 進行隔 離，但光耦合IC 為反相輸出，因此在開關訊號從自光耦合 IC 輸出時，接上一個反相緩 衝IC 7404。7404 總共有 6 組反相器，在這裡僅表達單一開關運作的關係；以 FPGA 送 出一組方波訊號GT1 為例，光耦合器將 FPGA 的輸出準位從 0~3.3v 提升至 0~5v，同時 使其反相。7404 則將開關訊號作再一次的反相，讓 IGBT 模組的驅動與 FPGA 的輸出訊 號一致。

圖5.4 開關驅動電路

5.1.3 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噪訊所影響，

所以在FPGA 發展板接收訊號前，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 減取其差值作為輸出，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 發展板。而各組訊號及輸入腳位與輸 出腳位如下圖5.5 所示。

A A

A'

B B B'

Z Z Z'

圖5.5 編碼器轉換電路

5.1.4 數位類比轉換電路(DAC、ADC)

在實作電路中，類比與數位的轉換都需要用到，因此有架構出A/D 以及 D/A 兩種 轉換電路。A/D 主要用於電流訊號的轉換：在實際馬達運作時回授相電流進入 A/D 電 路，經轉換後存入FPGA 暫存器，用於電流控制器做誤差的比較，在實作中使用的 IC 為MAX121，電路如圖 5.6(a)所示。D/A 轉換電路組成，如圖 5.6(b)所示。首先由 FPGA 內部的D/A 模組輸出電流命令以及欲觀察的訊號至數位類比轉換 IC PCM56P，最後將 類比訊號由示波器觀測。藉由D/A 轉換器可隨時觀察在穩態下電流命令；以及暫態下實 FPGA 內部各暫存器數值。

1 2 3

5

6 7

8 9

10 11

13 14

15

16

AG

5V

FPGA Analog_Data

Convst CLK

Sfrm Data

DG -15V MAX121

1

2 3

6 7 8

11

12 16

DG PCM56P

-5V 5V

FPGA

5 CLK

EN DATA

AG

Analog_Data

13

(a) (b)

圖5.6 數位類比轉換電路 (a)A/D 轉換電路 (b)D/A 轉換電路

5.2 三相電流控制實作波形圖

5.2.1 三相電流控制實作電流波形圖

我們利用第三章所提的控制架構圖利用5.1 節所提之實作電路加以實現。利用電流 感測器及編碼器得到馬達連接上的電流資訊i_k與轉速和轉子位置，接著利用運算 FPGA 運算平台輸出三相反流器上下臂開關訊號。在運作的過程中使用數位類比轉換晶片搭配 電流感測棒，將回授電流與電流命令顯示於示波器上加以觀察。

另外三相電流控制中，三相反流器每一相的開關並非理想開關需要時間切換其狀 態，為避免電路短路出現極大的電流造成開關燒毀，在程式中開關切換的部份會設定 deadtime 來隔開這部份的區間。而 deadtime 的設定與模擬相同，並依據實作三相 IGBT 模組可容忍最快切換速度可知設定deadtime 為3s並不會使得三相IGBT 電路損壞。雖 然使用deadtime 可以避免電路過流的現象，但是這也造成反流器的輸出更不直觀，在扭 矩以及線圈上的電流與實際的命令產生差異，因此實際上deadtime 長度的設定盡量短並 且符合電路規格即可。

而回授電流取樣方面與第三章所提一樣，取樣時間點位於一個三角波週期或者運算 週期內，位於週期一半的時刻取樣電流，如此一來電流取樣即為電流在某個週期間的平 均值。而在實作中與模擬一樣，我們必須對 PI 控制器輸出加以做限制，而 SPWM 與 MDFQM 限制的大小如第二章所描述分別位於(1/2)V_dc至(1/2)V_dc與( 3/ )3V_dc 至

Vdc

/ )3 3

( 區間內。

下圖 5.7 至圖 5.12 分別為三相直流無刷馬達在兩種負載下，轉速500rpm、 rpm

1000 、1500rpm、2000rpm、2500rpm與3000rpm穩態運作狀況之三種三相電流控 制實作的a 相電流與電流命令波形，時間單位刻度及大小單位刻度標示於圖型中。

rpm ω_r500

(a) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r500

(d) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r500

(b) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r500

(e) 10ms

A 1

*a

i ia

rpm ω_r500

(c) 10ms

A 1

*a

i

ia

rpm ω_r500

(f) 10ms

A 1

*

ia

ia

圖5.7 實作三相電流控制於轉速500rpm電流波形圖



 100

RL ,a)PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制

rpm ω_r1000

(a) 10ms

A 1

*a

i ia

rpm ω_r1000

(d) 10ms

A 1

*a

i ia

rpm ω_r1000

(b) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r1000

(e) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r1000

(c) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r1000

(f) 10ms

A 1

a*

i

ia

圖5.8 實作三相電流控制於轉速1000rpm電流波形圖

rpm ω_r1500

(a) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r1500

(d) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r1500

(b) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r1500

(e) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r1500

(c) 10ms

A 1

a*

i

ia

rpm ω_r1500

(f) 10ms

A 1

a*

i

ia

圖5.9 實作三相電流控制於轉速1500rpm電流波形圖



 100

RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制

rpm ω_r2000

(a) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r2000

(d) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r2000

(b) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r2000

(e) 10ms

A 1

*a

i ia

rpm ω_r2000

(c) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r2000

(f) 10ms

A 1

*

ia

ia

圖5.10 實作三相電流控制於轉速2000rpm電流波形圖

rpm ω_r2500

(a) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r2500

(d) 10ms

A 1

a*

i ia

rpm ω_r2500

(b) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r2500

(e) 10ms

A 1

*a

i ia

rpm ω_r2500

(c) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r2500

(f) 10ms

A 1

a*

i

ia

圖5.11 實作三相電流控制於轉速2500rpm電流波形圖



 100

RL , (a) PI-SPWM 控制 (b) PI-MDFQM 控制 (c)MDFQCC 控制

rpm ω_r3000

(a) 10ms

A 1

*

ia

ia

rpm ω_r3000

(d) 10ms

(d) 10ms

在文檔中 多維度回授量化調變於三相電流控制之應用研究 (頁 137-0)