行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
無感測泛用型感應馬達控制器之研製
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2213-E-151-018- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電機工程系 計畫主持人： 吳鴻源 計畫參與人員： 吳泰億 曾建文 吳昇諭 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 9 月 14 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
▓ 成 果 報 告
□期中進度報告
無感測泛用型感應馬達控制器之研製
計畫類別：
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個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC92－2213－E－151－018－
執行期間：92 年 08 月 01 日 至 93 年 07 月 31 日
計畫主持人：吳鴻源
共同主持人：
計畫參與人員：曾建文、吳泰億、吳昇諭
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)
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精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
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□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列
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□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立高雄應用科技大學
中 華 民 國 93 年 07 月 31 日
摘要 關鍵詞：FPGA，DSP，DTC，空間向量脈波寬度調變(SVPWM) 本計畫將使用 FPGA，應用空間向量脈波寬度調變與直接轉矩控制技術，結合 DSP 以實現開發一高性能無速度感測的馬達驅動系統，其主要應用於變頻式冷氣或恆壓邦浦。 計畫中將使用 ALTERA 10K 系列的 FPGA，將伺服馬達驅動系統所需的一些繁瑣費時的 計算處理，如 qd 座標轉換、轉矩、磁通與速度估測、SVPWM 各電壓向量分量的計算、 電流與速度控制、速度及位置回授信號之處理、IGBT 的 SVPWM 驅動、dead time 控制 等、整合在一晶片內中，以達系統晶片化(system on chip - SOC)之要求，並且可以匯流排 方式與外部的主控制元件，如微處理機或數位信號處理器介面，以整合馬達控制與網路監 控功能。此晶片可以應用於交流感應馬達、並拓展應用於直流無刷馬達等方面。 本計畫將分三年完成，第一年重點工作在於 FPGA 與週邊電路介面的開發及各種馬達 特性分析與模擬，第二年則在於將馬達控制的演繹法以 FPGA 實現，結合 SVPWM 與 DTC 技術，以研製一高性能的交流馬達驅動系統，其俱有高速動態特性。第三年則在於改良低 速的脈動轉矩，並將此馬達控制技術，延伸應用至其它類別之馬達，如直流無刷馬達。 Subtracts Keywords：CPLD, FPGA, DSP, SVPWMThis project will apply SVPWM and DTC techniques to implement one high performance induction motor driving system by using FPGA.
In this project, ALTERA chip in the 10K series of FPGA is applied to integrate motor servo driving system's peripheral functions, such as the acquisition feedback signal of voltage and current of motor, voltage of capacitor, DC side current, speed and position estimation, the SVPWM driving of IGBT or power MOSFET, and dead time control circuit etc.
The bus scheme is used to connect the CPU and the proposed controller, therefore the proposed controller has the ability of reducing the computation loading of the CPU and it has more time for advance computations.
This project will be fulfilled in three years. The first year of this project is to develop the peripheral function by FPGA techniques and motor simulations. The second year of this project is to develop the motor controller by using FPGA and DTC techniques. The last year of this project is to improve the pulsation torque of motor under low speed and extends the functions of the proposed controller to the use in BLDCM.
報告內容 前言 電力電子相關產業， 一直是近年來經濟部鼓勵發展的重點工業。尤其是在十大新興工業 發展策略中，更明定電力電子技術與驅動及控制技術為其關鍵性技術。在政府的帶領及民間 產業的熱心參與，確實在交換式電源供應器、不斷電供電系統、變頻器、感應加熱等方面， 具有不錯的成果。其質與量，均讓人不得不刮目相看。而在商品的產值上，更佔有重要地位。 在更高一層次的伺服驅動系統方面，國內配合精密機械工具機的生產，其使用的數量相 當多。然而其生產製造來源，幾忽都是來自歐、美、日貨。因此，實有必要在伺服驅動系統 此一方面，再加緊腳步，急起直追，導入國內高等科技人才，從事此方面技術的研究、開發， 以充份延伸國內長年在電力電子方面累積的研發技術成果。
其次受電子相關產業生產技術之賜，帶動我國在積體電路設計能力之提升，使得在各人 電腦、網路、通訊等方面，都有著膨勃發展。然而現代產業 ，乃逐漸走向整合化，就以馬達 控制而言，早期馬達與控制生產製造是獨立分開的，一部馬達的控制系統，不論在體積、重 量與複雜度上，都較受控馬達繁鎖複雜。近年來由於受到: (1)電力開關元件的進步，高電壓、 大電流與高速的 power MOSFET、IGBT 的大量普及，(2)微電子電路的發展，高速多功能的 微處理器、DSP、CPLD 與 FPGA 廣汎使用在控制上，使的更高等的控制理論得以實現，(3) 整 合通訊與網路功能的快速發展，讓馬達的控制，以不再局限於工作現場，透過通訊與網路功 能，使的遠端監控得以實現。也可以預見的，馬達的控制機構，將會是越來越小，最後整合 到馬達本體中。因此結合馬達與控制的智慧型馬達，將會是將會是新一代馬達的新寵。因應 將來市場的變化，國內有必要在此方面投入更多的人力、物力，從事這方面的研究，以因應 未來產業結構的變化與發展。 研究目的 本計畫的目的在於結合 FPGA 與 DSP，以直接轉矩控制為主要理論基礎，結合空間向量 調變技術，開發一高性能的泛用型馬達伺服控制晶片。控制電路將由 ALTERA 的 10K 系列的 FPGA 構成，系統包含幾個部分，(1)馬達電壓電流、電壓、直流測電壓等回授訊號的處理， (2)電壓、電流座標的轉換與馬達轉矩與磁通之估測，(3)直接轉矩控制與磁通之調整， (4) IGBT 或 power MOSFET 的 SVPWM 驅動。以上功能並以 bus 方式與外部的主控制元件，如微處理 機或數位信號處理器連結，作為人機介面及遠端監控之功能。 因此使用此開發的晶片，結合 DSP 以製作一高性能的馬達伺服驅動系統。其透過 bus 方 式，直接讀取 FPGA 處理完成的馬達各種參數，包括三相電壓、電流、轉速、轉矩、磁通、 位置及馬達的角度等各項參數，而各種控制量，則可經過 dsp 精密計算後，則直接寫入到 FPGA 以控制馬達操作於最佳的工作狀況。 研究方法 直接轉距控制統由三個主要的功能所組成，分別為 (1) 馬達模形，其由量測得到的兩個馬達相電流、中間電路的直流電壓及電力開關元件 的開關狀態，來估測實際馬達的轉距、定子的磁通及軸轉速。此種計算 包括溫度 及飽合效應的補償，須在數十微秒內完成。兒馬答參數是由試運轉經由細統辨識而 來。 (2) 一組雙位準的磁滯控制器，用來作為馬達參數模型計算出的實際轉距和磁通與參考 的轉距和磁通比較。定子 的磁通一般控制在一固定值，而馬達的轉距則控制定子 與轉子的角度γ。 (3) 最佳化的開關元件的切換邏輯電路，用以轉壞控制輸出到電力開關元件的切換。在 雙階的電壓源變流器，其由六個電壓向量及兩個不同類別的零電壓向量構成，這些 最佳化的開關切換，也須在一個控制週期內完成。 直接轉距控制僅提供轉距的控制與一些馬達參數的估測，因在實際的驅動系統，速度控 制功能是必須的，典型必須外加的功能有︰ 一、 參考轉距迴路，參考轉距迴路的輸入可能是來自速度控制迴路的參考轉距，或者 是外部的參考轉距。適時參考轉距的修正以保持直流側電壓及頻率再系統的限制 範圍內。雖然短期的過載是容許的，但換流器將因轉距的限制而避免過載。轉距 的限制同時ㄝ可以避免馬達的輸出，超過其最大轉距而崩潰。 二、 速度控制迴路，在許多換流器應用上，速度的控制是最重要的工作，製程速度控 制的好壞是影響品質的一重要因素。在直接轉距控制方式下，速度控制並不像傳
統馬達控制一樣，為換流器控制的一內迴圈。速度控制器的輸出，是轉距控制的 外部參考輸入，常用的速度控制器的演算法為PID控制加上加減速度補償。其參數 的調整，常是由自動調整運轉模式來自動設定的，基本上是由驅動器自動識別系 統的時間常數而得到。 三、 定子磁通參考，在直接轉距控制的定子 磁通是故定的常數，此種控制定子磁通及 彈性修改其設定的能力，使得易於實現換流器的一些特殊功能，如磁通的最佳化 與弱磁控制等。 四、 開關元件的切換頻率參考，此功能以滿足功率模組的頻率限制，其控制的方式在 於自動調整磁滯比較器的磁滯量，使其開關元件的切換頻率能在其規格限制內。 本計畫分三年完成，第一年重點工作在於馬達控制模擬及FPGA與馬達類比訊號間的訊 號處理。在模擬方面，使用matlab及simulink以模擬及分析交流感應馬達的穩態與動態特性， 找出馬達的最佳控制參數。在FPGA與類比訊號間的訊號處理方面，則包括如馬達電壓電流、 電容器電壓、直流測電流、旋轉邊碼器的速度與位置回授等介面。第二年則以FPGA結合電流 座標的轉換與馬達轉矩與磁通之估測、直接轉矩控制，完成交流感應馬達的直接轉矩控制晶 片。第三年則結合SVPWM以降低馬達的脈動轉矩，此晶片能廣汎用於大多數不同型式的馬 達伺服驅動系統。 結果與討論 研究成果 第一年的計畫並完成直接轉距控制方法的電腦模擬分析。 系統以matlab與simulink進行模擬以分析整個控制的特性，其由數個子電路組成，包括 (1) 馬達模型，(2)轉距與磁通估測電路，(3)DTC開關切換邏輯，(4)速度估測與速度控制回路。如 圖1所示為直接轉矩控制模擬的系統方塊圖，圖2為交流感應馬達d-q電路，圖3為交流感應馬 達轉速/轉矩電路，圖6為直接轉矩控制電路，圖7為電力開關元件的控制電路。 圖1 直接轉矩控制模擬的系統方塊圖
圖2 交流感應馬達d-q模擬方塊圖
圖 3 交流感應馬達轉速/轉矩模擬方塊圖
圖 5 電力開關元件的控制電路 圖 6 為穩態時定子磁通模擬結果，最上方的波形為定子合成磁通，下方類似正弦波的波 形分別為 d-axi 及 q-axi 的磁通，圖 7 為弱磁控制時(額定轉速之上)定子磁通模擬結果，圖 8 啟 動時的定子磁通，圖 9 為正轉到反轉時的磁通，圖 10 為轉矩的響應，較為平直的曲線為命令 轉矩，圖 11 轉速的響應。圖 12 所示為 FPGA 控制板，使用 ALTERA 的 10K 系列，左下角 的黑色 10PIN 接頭為下載的 JTAG 接頭，圖 13 為 DSP 控制板。 圖 6 穩態時定子磁通 圖 7 弱磁控制定子磁通 圖 8 啟動時的定子磁通 圖 9 正轉到反轉時的磁通
圖 10 轉矩的響應 圖 11 轉速的響應
圖 12 FPGA 控制板 圖 13 DSP 控制板 參考文獻
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計畫成果自評
計畫執行與原規劃的進度相當一致，在硬體方面 更有部份超前、尤其 dtc 控制的模擬上 更是直接模擬電力開關元件的切換，不像一般僅以數學模形來分析，因此仿真性相當高， 大為縮減與實作的差距。
