永磁式同步馬達伺服驅動器設計實務 = Implementation and design of a permanent magnet synchronous motor driver
林伯智、陳盛基
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摘 要
本論文針對永磁同步馬達研製驅動系統，並以編碼器取代霍爾元件，做為檢出永磁同步馬達轉軸的位置的方法。在控制硬 體上，使用Microchip公司所生產之dsPIC30F4011數位訊號控制器(DSC)晶片為控制核心，並驅動規格為30W、轉
速4000rpm、8極的安川永磁同步馬達[SGM-A3A312]。 最後完成驅動器實作，並配合控制永磁同步馬達，提出實驗 測試結 果。
關鍵詞 : 永磁同步馬達、編碼器、數位信號控制器 dsPIC30F4011 目錄
目錄 封面內頁 簽名頁 授權書...iii 中文摘要...iv 英文摘 要...v 誌謝...vi 目錄...vii 圖目
錄...x 表目錄...xiii 第一章 序論...1 1.1 簡介 ...1 1.2 研究步驟...3 1.3 系統架構...3 1.4 內容大
綱...6 第二章 無刷馬達介紹...8 2.1無刷馬達基本原理與分類...8 2.2 無刷馬 達...9 2.3 無刷馬達的特徵 ...11 2.4 馬達位置感測的方法...12 2.5 無刷馬達之 數學模式...17 2.6 座標轉換...26 第三章 無刷馬達驅動方式...34 3.1 正弦波寬調 變驅動方式...34 3.2 空間向量波寬調變驅動方式...37 3.3 直接轉矩控制驅動方式...45 3.4 六步方波控制驅動方式...52 第四章 無刷馬達驅動器研製...60 4.1 數位訊號處理
器...60 4.2 功率模組電路...63 4.3 隔離電路...65 4.4 電流回授電 路...68 4.5 編碼器...71 4.6 主電源電路...74 第五章 實驗結 果...76 5.1 伺服馬達控制系統程式流程...76 5.2 PWM控制...80 5.3 電流控 制...83 5.4 向量控制...87 5.5 速度控制迴路...88 5.6 實測結
果...89 5.7 PID控制器...95 第六章 結論...99 參考文 獻...101
參考文獻
[1] 李發海,朱東起,”電機學”,科學出版社,2001.
[2] 唐任遠,”現代永磁電機理論與設計”,機械工業出版社,1997.
[3] 李崇堅,”交流同步電機調速系統 ”,科學出版社,2006.
[4] Microchip,”MPLAB C Compiler for PIC24 MCUs and dsPIC DSCs User's Guide”2008 [5] Microchip,”16-bit Language Tools Getting Started”,2008 [6] Microchip,”dsPIC30F Data Sheet Motor Control and Power Conversion Family”,2008 [7] Microchip,” dsPIC30F Family Reference Manual”,2003 [8] 日立製作所,”小型馬達技術”,全華科技圖書,2003.
[9] 陳志成,”無轉軸偵測元件之無刷直流馬達驅動系統研製 ”, 碩士論文,國立中央大學電機研究所,2001.
[10]詹晉榮,”直流無刷馬達驅動系統實務設計 ”,碩士論文,大葉大學電機研究所,2003.
[11]劉昌煥,”交流電機控制-向量控制與直接轉矩控制原理 ”,東華書局,2002.
[12]National Instruments,”進行相位差編碼器量測方法 ”,常見量測作業指南.
[13]施炳坤,”無刷永磁馬達驅動系統之研製”,碩士論文,逢甲大學電機研究所,2003.
[14] L. Zhong, M. F. Rahman , W. Y. Hu, and K. W. Lim, ” Analysis of Direct Torque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor Drives” dsPIC30F Family Reference Manual”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 12, NO. 3, MAY 1997.
[15] S. Takijawa, M. Tabata, T. Tanigawa, S. Igarashi and K. Kuroki “High Efficiency Drive Techniques for the Brushless DC Motor Using a Four Switch, Three-Phase Inverter” Proceedings of IPEC 2000, Japan, pp.1692-1697.
[16] J. S. Larsen, K. Jespersen, M. R. Pedersen, F. Blaabjerg and J. K. Pedersen, “Control of a Complete Digital Based Component-Minimized Single-Phase to Three-Phase AC/DC/AC Converter, IEEE/IECON 1998, Aachen, Germany, pp. 618-625.
[17] M. N. Uddin, T. S. Radwan, G. H. George and M. A. Rahman, “Performance of Current Controllers for VSI-Fed IPMSM Drive” IEEE Transactions on Industry Applications, vol.36, no. 6, November/ December 2000, pp. 1531-1538.
[18] T. M. Jahns, G. B. Kliman, and T. W. Neumann, “ Interior Permanent Magnet Synchronous Motors for Adjustable-Speed Drives”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol.IA-22, July/August 1986, pp. 738-747.
[19] M. Azizur Rahman, Mahinda Vilathgamuwa, M. Nasir Uddin, and K. J. Tseng, “Nonlinear Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor”, IEEE Trans. on Ind. Applications, Vol. 30, No. 2, March/April 2003, pp. 408-416.
[20] H. Matsugae et al. “DSP-based all digital, vector control induction motor drives for spindle system”, in Conf.Rec.IEEE-PESC, 1990, pp.
636-640.
[21] K. Ohnishi et al. “Decoupling Control of Secondary Flux and Secondary Current in Induction Motor Drive With Controlled Voltage Source and Its Comparation With Volth/Herth Control”, IEEE Trans. On Ind. Appl., Vol IA-21, No 1, 1985, pp. 241-247.
[22] F. Harashima et al. “Multimicroprocessor-Based Control System for Quick Response Induction Motor Drive”, IEEE Trans. On Ind. Appl., Vol IA-2, No 4, 1985, pp. 602-609.
[23] Geng Yang et al. “Position and Speed Sensorless Control of Brush-Less DC Motor Based on an Adaptive Observer”, IEE Japan Vol.113-D, no.5, 1993, pp. 579-586.
[24] Takahashi I，Noguchi T．A new quick-response and high-efficiency control strategy of induction motor[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1986，22(5):820-827．
