行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
總計畫
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2213-E-011-089-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系
計畫主持人： 劉添華
計畫參與人員： 李淑芬
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 8 月 4 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
開關式磁阻馬達之設計、驅動、控制改善及前瞻技術開發-總計畫
Research on Machine Design, Drive, Control Improvement and Advanced Technology Development for Switched Reluctance Motors- The Main Project
計畫編號：NSC 93-2213-E-011-089 執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
主持人：劉添華
執行機構及單位名稱: 國立臺灣科技大學電機系 計畫參與人員: 李淑芬
一、 中文摘要
本計畫針對開關式磁阻馬達之設計，驅動，控制 的相關技術，提出改善對策及前瞻性技術開發。本計 畫由六個子計畫所組成，以系統化的方法，進行開關 式磁阻馬達相關技術開發，包括: 開關式磁阻馬達位 置控制 (子計畫一) ，磁阻馬達先進轉換器及驅動控 制技術開發 (子計畫二) ，磁阻馬達洗衣機應用及其無 轉軸驅動技術 (子計畫三) ，毫米級微型磁阻馬達設 計與製造 (子計畫四) ，磁阻馬達智慧型控制與電動 機車應用 (子計畫五) ，磁阻馬達無軸承控制 (子計畫 六)，SOPC 磁阻馬達控制器研究 (子計畫七) ，，。
經由本計畫之執行，進行開關式磁阻馬達相關前 瞻性技術的開發及應用。 計畫中，除注重先導性技 術的研發外，並探討與工研院及國內工業界充份交流 及合作，以期將磁阻馬達引入國內。本計畫的執行，
可培育電機控制與電力電子方面的人材，並擴展國內 電機控制領域，提升國內電機控制研究水平。
關鍵詞: 開關式磁阻馬達，馬達設計，新型轉換器，
無轉軸偵測元件驅動，無軸承控制，洗衣機 應用，智慧型控制，電動機車應用 。
ABSTRACT
This project focuses on research of the performance improvement and advanced technology development for a switched reluctance motor (SRM) with its drive system, which include: motor design, drive, control, and applications. In order to systematically study these topics, this project consists of six sub-projects, including:
position control of the SRM (sub-project 1), the design and implementation of the advanced power converters and drives of the SRM (sub-project 2), the application of SRM in washing machine and its related sensorless technique (sub-project 3), the design and implementation of the
micro- SRMs (sub-project 4), the intelligent control with its application in motorcycle for SRM drives (sub-project 5), the new control method without using any bearing for a SRM drive system (sub-project 6), the SOPC controller design for SRM drive (sub-project 7),.
By executing this project, some advanced technology will be developed and the related applications will be studied. This project focuses on both advanced technology development and its real industrial applications. In addition, the project will cooperate with Industrial Technology Research Institute and local industry. As a result, this project can set up the SRM design and drive technology in our nation. In addition, this project can train graduate students who major in motor drives and power electronics. It extends the research areas of motor drive, and raises the research capability in our nation.
Key words: switched reluctance motor, motor design, novel power converter, sensorless drive system, bearing- less control, washing machine application, intelligent control, motorcycle application.
二、 計畫緣由與目的
開關式磁阻馬達具有結構簡單，可靠度高，無滑 差，無轉子銅損，此外，其驅動器為單極性電流調 制，結構點簡單，無上下臂短路問題，在國外已引起 工 業 界 及 學 術 界 廣 泛 的 研 究 興 趣 ， 如 Tridelta Industries Inc. 應用在多功能的地板整理機及電動車驅 動。Emerson Motor Co.應用在大容量滾筒式洗衣機以 及抽真空泵。不但耐用，且能運轉在高於31000rpm，
壽命超過 10000 小時，並能全速範圍調速[1]-[3]。福 特公司應用在汽車的動力方向盤。AMC 與日本電氣 精器公司及美國西屋電氣製造以開關式磁阻馬達應用 在牽引車，另一方面，英國飛機製造業者亦開始採用 此種磁阻馬達作飛機擋板的致動器[4]-[6]。為了使開 關式磁阻馬達能在國內生根，並有效整合國內有限的
人力及資源，本計畫結合了六個子計畫，其結構如 下：
(子計畫五) (子計畫七)
(子計畫三) (子計畫二)
(子計畫四) (子計畫一)
(子計畫三)
(子計畫五) 實際應用
控制器 電力轉換器
轉軸角度估測器 馬達電壓
電流信號 或
馬達設計 電流命令
(子計畫六)
圖1 子計畫架構圖
三. 研究方法，進行步驟及研究結果
本計畫共包括七個子計畫相關的研究方法 進行步 驟及獲得的結果分別說明如下:
3.1 子計畫一:開關式磁阻馬達位置控制 (中央大學 電機系 徐國鎧)
本子計畫針對開關式磁阻馬達進行位置控制研 究。之前以線性二次方法演算法則控制 但是對於持續 穩定之負載擾動會有穩態位置誤差存在。基於此位置控 制結果為基礎，針對線性平方法控制之穩態誤差提出改 善方法 再以修正型線性二次方法改善其穩態位置誤差 經實驗證實 以修正型線性平方法確可消除穩態位置誤 差 但是原先以線性二次方法演算設計之系統性能指標 已不滿足 因此 如何在有載情況，仍能控制系統滿足設 計之系統性能指標為本計劃之重點，因此本子計畫將以 可變結構控制方法克服前數缺失，並證實將開關式磁阻 馬達應用於高性能位置控制確有其可行性。
A. 研究方法
開關式磁阻馬達系統動態方程式如下
⎪⎪
⎩
⎪⎪⎨
⎧
−
= +
=
L e m m m
m
m m
T T ω dt B
J d ω dt ω d θ
(1)
定義位置誤差狀態為
2 1
⎩⎨
⎧
=
−
=
m d m
x x
ω θ θ
則其動態方程式可表示為
b V X 0 a 0
1 0
V J
10 X J 0 B
1 0 V B X A
m m
m
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣ +⎡
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
=⎡
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣ +⎡
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
= − + X&=
(2)
對於上式 Linear Quadratic 控制的目的是要設計最 佳控制V =V*使得效能指標(Performance Index)J 最 小。
∫∞ +
= 0
T
TQX V RV)dt X
(
J (3) 其中 R 為正定矩陣，Q 為非負定矩陣。
要求得最小J 值，可由其 Ricatti Equation 為 0
Q P B PBR PA P
AT + − −1 T + =
若P為上式之解，則可得一回授增益KT =[k1 k2]使 得
X K )
P B (R
V*=− −1 T TX =− T (4) 如此使系統作在最佳狀態回授控制，而系統動態方程 式為
X A X ) B (A
X& = − KT = c (5)
上式在固定負載下會有穩態誤差，為克服此缺失，並 保持原本由 LQ 方式所設計軌跡的性能。以下利用可變 結構控制方式設計全不變型滑動模式控制器，以保證受 干擾系統仍可以保有原先設計之最佳控制性能。
首先設計一個切換函數
[X X ] c A X( )dτ 0 c
) , (
s t
C 0 T 0
T − − =
= ∫ τ
t x
其中cT=[0 1/b]，X0為狀態初始值，Ac被定義於 式(5)。
實際的系統擾動源可將(2)可改寫為
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣ +⎡
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡
∆ + +
⎥⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡
∆
= +
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
− +
⎥ +
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ +
⎥ +
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
+
− +
=
V d b X b
a a
T
∆J J V
∆J J X
∆J J
∆B
X B L
m m m
m m
m m m
0 0
0 1 0
01 10
0 1
& 0
其 中
∆a、∆b為系統之不確定係數，d=TL/Jm 令D 為擾動源，則 D 可表示為
d b a
D=∆ +∆ +
新的位置控制器由(4)式修正為 ) sgn(
) sgn(
2 2 1
1x k x q s
k
s q
V V
×
−
−
−
=
×
−
= (6)
其中
⎩⎨
⎧
<
−
>
= +
0 ) ( 1
0 ) ( ) 1
sgn( if s x,t
x,t if s s
利 用 迫 近 滑 動 條 件 s&s<0 證 明 。
[ ]
⎭⎬
⎫
⎩⎨
⎧ +∆ + +∆ + + −
=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ + + −
=
∗
2 2 1 1 2
2 2 1 1 2
) ( )
( ) 1(
) 1 (
bx k a x k v b b x a b a s
bx k a x k bx s s s
&
&
&
Front-end
converter SRM
converter
PAM control, coordination control schemes
Commutation, PWM, current control and speed
control schemes
SRM
v boosting controld
i1
Commutation tuning control vd vs ~
AC/DC
source DC-link
boosting control
DSP Front-end
converter SRM
converter
PAM control, coordination control schemes
Commutation, PWM, current control and speed
control schemes
SRM
vdd
v boosting control
i1
Commutation tuning control vd vss
v ~
AC/DC
source DC-link
boosting control
DSP
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
= qsgn s( ) b
s p
s &s 令
b
q≥ D 則s&s≤0
B. 實驗結果
圖 2 LQ方式定位控制無載實驗
圖3 全不變型滑動模式定位控制無載實驗
圖4 LQ方式定位控制負載0.3N-m實驗
圖5 使用全不變型滑動模式定位控制負載 0.3N-m實驗
高性能運動控制系統除了應該具備有速度的追蹤能 力外，也要具備有位置的追蹤能力。，所以本研究針對 開關式磁阻馬在位置控制之應用，進行先行性之研究。
本計畫以可變結構控制方法改善其穩態位置誤差，在有 載情況，仍能控制系統滿足設計之系統性能指標，並由 實驗結果證實將開關式磁阻馬達應用於高性能位置控制 確是可行的。
3.2 子計畫二:開關式磁阻馬達之先進轉換器之驅動 控制技術開發 (清華大學電機系 廖 聰明)
1. 馬達驅動系統組成
所組立的具前端轉換器之開關式磁阻馬達驅動系 統如圖 6 所示。此開關式磁阻馬達係日本 DENSEI 公 司生產，其規格及額定為 8/6 齒, 4 相, 48V, 6000rpm, 2.3kW。直流鏈電壓可藉由前端轉換器升壓以增進馬 達之高速驅動性能；如為蓄電池供電，在待機下，前 端轉換器可轉為切換式整流器進行充電。線圈之電流 控制採斜率比較電流控制PWM。
圖6: 具前端轉換器之開關式磁阻馬達驅動系統。
5.027 rad
0.4
θm
θd
T
5.027 rad 5.027 rad
0.4
θm
θd
θm
θd
5.027 rad
0.4
0.4 sec
θm
θd
16.38N-m
16.38N-m 16.38N-m
T
T 16.38N-m
d
T
µs 100
V 1 V
48
V 4 . 0 V
48
ms
(a) (b) 2
vac
iac
L i i i =
L
S D D i
ac di v v = +
− +
−
SRM
converter SRM i1 +
Vdc
− SMR
vac
iac
L i i i =
L
S D D i
ac di v v = +
− +
−
SRM
converter SRM i1 +
Vdcdc V
− SMR
∗ ia Vd
ia 20V
2A
1ms 300V
5V
ms 200
∗ 1 vo
∗o v
' vo
ˆi' I
2A A
8 . 7
(a) (b)
5V
ms 200 vo
Iˆi
2A A
8 . 7 V 300
2. 前端轉換器電路組態 A. 直流入電前端轉換器
可能之前級直流升壓電路組態為:
(1) 串聯式連接電路: (a) 固定電壓; (b) 可調電壓- 雙電 池; (c) 可調電壓- 單電池。
(2) 單級電路: (a) 單向式; (b) 雙向式。
一典型直流入電四象限前端轉換器電路如圖7。
圖7：一典型四象限直流入電前端轉換器電路。
B. 交流入電前端轉換器
如入電為市電，加裝之前端轉換器有兩種方式：
(1) AC-DC-DC 轉換器：將交流電轉換成直流電，再 將直流電經各式之非隔離式與隔離式 DC-DC 轉換 器，切換轉成可變之直流電，特點為：低電壓紋 波、快速之電壓動態響應、可行動態升壓控制、
電路較複雜效率較低、交流入電之品質仍需額外 處理。
(2) 切換式整流器(Switching-Mode Rectifier, SMR)：由 交流轉換建立直流鏈電壓。又可分為: (i)隔離式及 非隔離式; (ii)低頻及高頻切換式; (iii)單或多象限;
(iv)降或升壓式。典型之高頻式切換式整流器依其 電路組態可概分為升壓型、降壓型、升壓-降壓整 合型、降壓-升壓串接型、邱克(Ćuk)整流器及謝比 克(SEPIC)整流器。此直流鏈電壓具有之特點為：
在合理之輸出濾波電容值下，輸出直流電壓紋波 大(主要為 120Hz 之電源二倍頻)、考量電壓紋波所 得之電壓動態響應速度較慢、動態升壓控制限制 較大、電路較簡效率較高、交流入電之品質可於 一級電路處理。
一典型單象限交流入電升壓式 SMR 前端轉換器電 路組態如圖8。
圖8：典型交流入電升壓式 SMR 前端轉換器電路。
3. AC 及 DC 前端轉換器之動態升壓能力比較 A. 直流入電前端轉換器
如圖 7 之直流前端轉換器輸出電壓之紋波低、具快 速之電壓動態響應、可行動態升壓控制。圖 9(a)及圖 9(b)為其典型之電壓追控及調控特性。
圖9：直流前端轉換器輸出電壓之典型動態響應：(a) 命令變化之追控特性48V to 50V (RL=5Ω); (b) 負載變 化之調控特性 RL= 5Ω toRL= 52. Ω (vd =48V).
B. 交流入電前端轉換器
如圖 8 之 AC 前端 SMR 轉換器輸出直流電壓之紋 波大、考量電壓紋波所得之電壓動態響應速度較慢、
動態升壓控制限制較大。圖 10(a)及圖 10(b)為其典型 之具強健控制之電壓追控及調控特性。
圖 10：AC 前端 SMR 轉換器輸出電壓之典型動態響 應： (a) 命令變化之追控特性(300V to 309V, at 612W);
(b) 負載變化之調控特性(612W to 693W, at 300V)。
升壓適用性
具快速之電壓動態響應：可行動態升壓控制。
具慢速之電壓動態響應：行穩態規劃式升壓控制。
4.具交流入電前端SMR 之 SRM 驅動系統 (1) 系統參數：如圖 8 之驅動系統：
馬達：4-phase 8/6 pole, 4kW and 1500rpm, TASC Drives Ltd.製造。
SMR：110V/60Hz, 切換頻率fs=15kHz, 直流鏈電 壓Vd =300V。
(2) 操控性能比較：
在(500rpm,RL=158Ω)下由傳統整流器及 SMR 供電之 量測所得Vd,ia,i*a比較於圖 11(a)及 11(b)；而兩者之振 動(貼於定子框部中央之加速度)比較於圖 11(c)。結果 顯示由 SMR 供電產生較小知直流鏈電壓紋波即較小 之振動。而 SMR 供電量測所得之v ,aciac如圖 12 所 示，功因為PF=0.967。
(a)
a b
c d +
Vdc SW2 C2 +
− VB
C1
S2 D2
S4 D4 S1
D1
S3 D3
L a
b
c d +
Vdcdc V SW22 SW
C22 C +
− VBB V C1C1
S22 S
D22 D
S44 S
D44 D S11
S D11 D
S33 S
D33 D
L
iacac i
vacac + v − SW11
SW
−
vac
iac
100V
5A
5ms
∗a
i Vd
ia
20V
2A
1ms 300V
0.98 m/s2
1ms 0.98 m/s2 1F SMR
+ SRM
3F Rectifier + SRM
(b)
(c)
圖 11：(a)在(500rpm,RL=158Ω)下由傳統整流器供電量 測所得之Vd,ia,i*a；(b) 在(500rpm,RL=158Ω)下由 SMR 供電量測所得之Vd,ia,i*a；(c)兩者所得之振動(貼於定 子框部中央之加速度)。
圖 12：在(500rpm,RL= 158Ω)下由 SMR 供電量測之 電 壓及電流波形。
3.5 子計畫三:開關式磁阻馬達在洗衣機的應用及其 無轉軸驅動器之研發 (臺灣科技大學 電機系 劉添華)
本子計畫本年度(第一年)的研究目標為設計及製 作一套具有轉軸偵測元件的系統，並使用所提出的技 術應用並達成洗衣機全數位化的控制。在開關式磁阻 馬達的控速系統中，一般需要編碼器或分解器來回授 馬達的轉軸角度，以便設計速度控制器及換相控制 器，完成閉迴路驅動系統。在本子計畫中，採用TI 所 開發的 TMS320LF2407A 數位訊號處理器做為系統控
制核心，以光學式增量型編碼器作為回授馬達轉軸角 度的元件，搭配硬體電路完成一洗衣機閉迴路控速系 統。其次，洗衣機在運轉時，需要有正反轉的動作，
當馬達產生正轉矩，電流需在電感斜率為正值時，適 時地注入馬達，反之，要產生煞車時，則需在電感斜 率為負值時注入電流，亦即將控制角度移動180o，此 外，在煞車時，會由馬達產生能量回授，使得電容電 壓急遽上升，故須設計一煞車電路，經由煞車電阻適 當地將能量吸收。相關的研究方法說明如下:
A. 四象限控制
由於本計畫之受控體為洗衣機，在其運轉期間需 要連續正反轉的動作，因此我們需要做四象限控制維 持馬達正確動作，透過煞車電路中的煞車電阻適當地 將馬達回饋能量吸收，避免因為過度升壓而對電路中 的元件造成破壞。依據開關式磁阻馬達的轉矩方程式 可知，於激磁相的自感上升區間注入激磁電流時，可 產生正轉矩；反之，若於激磁相的自感下降區間注入 激磁電流時，則可得到負轉矩。配合轉軸角度適當的 控制開關式磁阻電動機的換相角度，得到所需的正負 轉矩及轉速，即可達到如圖13所示的四象限控制。
當自感斜率為正值，配合該斜率注入對應的定子 電流即可產生正轉矩，此時依序對a相、b相及c相注入 激磁電流，可使電動機產生正轉；當自感斜率為負 值，配合該斜率注入對應的定子電流即可產生負轉 矩，此時依序對a相、b相及c相注入激磁電流可使電動 機產生正轉煞車。對於反轉及反轉煞車而言，在自感 斜率為負值區域，將相序改為對a相、c相及b相注入激 磁電流，可使電動機反轉；在自感斜率為正值區域，
將相序改為a相、c相及b相注入激磁電流，可使電動機 產 生 反 轉 煞 車 。 表1歸納電動機在各象限運轉的情 況，在正轉或反轉時，電動機的轉速與轉矩方向一 致，在正轉或反轉的煞車，電動機的轉速與轉矩方向 相反。
圖13 開關式磁阻電動機四象限控制 B. 硬體電路研製及軟體流程説明
全數位化開關式磁阻電動機的控速驅動系統，主 要包括硬體和DSP 兩部份。硬體包含：開關式磁阻電 動機、功率轉換器、電流偵測及回授電路、編碼器 (encoder)或分解器(resolver)；DSP 部份包括：速度控 制、換相角度控制和電流波寬調變控制等運算。
1. 功率轉換器電路
I
III IV
+ +
電動機 轉矩
電動機 轉速 II
本文中選用MOSFET當作轉換器的開關元件。選 用MOSFET的原因是因為它採用電壓驅動方式，較容 易設計。而開關式磁阻電動機的轉矩，與電流的平方 及自感值對角度的變化率成正比，與電流的方向無 關，只需配合轉軸角度適當控制單極性電流，即可達 成正負轉矩控制的要求，故其功率轉換器為單極性的 電路架構，且其線圈繞組係與功率元件串聯。本計劃 所採用之功率轉換電路為非對稱半橋型轉換器如圖14 所示，每相線圈繞組需使用兩個功率開關元件及兩個 飛輪二極體連接至直流電壓源，可於每相線圈繞組上 產生正、負及零三種不同電壓大小。此種電路具有容 錯能力，上、下臂可同時導通，亦可用於截波控制模 式，將一開關作為換相控制，當切換至該相時此開關 恆為導通，另一開關負責電流調制切換控制，配合飛 輪二極體放電，減少激磁電流的下降率，同時降低切 換頻率及切換損失。
+
- Vdc C
1
Dc
2
Dc 1
Sc
2
Sc
c
1
Da
2
Da 1
Sa
2
Sa
a
1
Db
2
Db 1
Sb
2
Sb
b
圖14 功率轉換器 2. 電流偵測電路
由於本計畫採用磁滯型的電流調制方式，必須即 時偵測目前負載電流大小，因此使用霍爾元件作激磁 電流的量測。首先霍爾元件將電流訊號以200：1之比 例衰減後轉成電壓訊號，再與電流命令比較後可得到 誤差電流訊號，最後依此訊號調制負載電流，以達到 電流控制的目的。此電流量測電路係由霍爾元件及運 算放大器所構成，如圖15所示。使用霍爾效應元件來 量測的主要目的在於可精確量測交、直流及脈衝電 流，且具有線性、高可靠度、頻寬寬廣及不受溫度影 響的特性。
i
圖15 電流量測電路 3. 軟體流程
本計畫控制軟體是以組合語言來撰寫，軟體的架 構是由主程式及中斷服務程式所組成，其流程圖如圖 16(a)及(b)所示。
主程式
系統初始化設定
致能中斷服務程式
判斷是否 到達中斷時間
返回主程式 否
系統功能設定
執行中斷服務程式 是
(a)
(b)
圖16 (a)主程式流程圖(b)中斷副程式流程圖 4 閉迴路系統
本計畫所使用的閉迴路系統為圖17所示。由編碼 器或分解器取得轉軸角度回授信號送至DSP；並由電 流偵測及回授電路取得電動機的各相類比電流訊號，
透過DSP內部類比/數位轉換器轉換成數位的訊號。接 著，配合設定的轉速及實際的電動機轉軸速度執行速 度控法則的運算後，透過換相控制法則，計算出各相 的電流命令。各相的電流命令再與回授的實際電流進 行電流波寬調變控制，決定功率轉換器中功率元件的 觸發信號，由功率轉換器產生各相所需的電壓及電流
驅動電動機，完成一全數化的閉迴路系統。
圖17 閉迴路系統 C. 實測結果
本研究是探討開關式磁阻馬達在洗衣機驅動系統 之應用，將馬達耦合在洗衣內部，經量測得知洗衣槽
功率 轉換器
開關式 磁阻 電動機
電流偵測 及 回授電路 類比/數位
轉換器
差 分 器 速度 控制器
波寬調變 控制器
ωr
*
ωr i* T2T2'
ia
ib
ic
ia
ib
ic
DSP(TMS320LF2407A) 硬體
ia ib ic
θr
ωr
編碼器或 分解器
' 1 1T T
' 3 3T T 換相角度
控制器
*
ia
*
ib
*
ic
θr
皮帶轉動1圈帶動開關式磁阻馬達轉動15圈。所選用 的磁阻馬達為美國Emerson公司所生產的馬達，其規 格為三相、12/8極及4500rpm的額定轉速，相關的參數 如表2所示。圖18-21為實體照片，圖22-28為實測波形 及響應。
表2 AUTO WASHER MOTOR 規格表 額定電壓 110V
r 2.125Ω
Lmax 23.36 mH
Lmin 6.396 mH
J 7.64 10 kg m× −4 ⋅ 2
圖18 美泰克(Maytag) MAH 5500滾筒洗衣機
圖19 硬體控制電路
圖20 DSP數位訊號處理器 TMS320LF2407A
圖21 洗衣機使用的開關式磁阻馬達
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 speed (rpm)
time(sec)
圖22 馬達轉速30 rpm響應
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0
100 200 300 400 500 600 speed (rpm)
time(sec)
圖23 馬達500 rpm暫態響應波形
圖24 馬達1000 rpm暫態響應波形
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 1 2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 1 2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 1 2 電 流 (A)
A 相
B 相
C 相
time(msec)
圖25 馬達500 rpm時三相電流波形
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 0.5 1 1.5 2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 1 2 3 電 流 (A)
A 相
voltage (V)
A 相 PWM
time(msec)
圖26 馬達500 rpm時 A相電流對其PWM波形
圖27 馬達正反轉500到-500 rpm暫態響應波形
圖28 馬達500rpm下加載2Kg衣物暫態響應波形
3.4 子計畫四:毫米級微型開關式磁阻馬達設計與製 造 (高雄應用科技大學機械系 龐大 成)
本子計畫開發一毫米級微型開關式磁阻馬達，利用 微機電技術加工技術製作，以達到低成本與高精度之 目的。未來可大量應用於光電產品、精密生化醫療器 材、微型驅動平台及光纖網路多路通訊傳輸等領域。
本年度(第一年)已完成工作項目：
1. 微型磁阻馬達之機械設計。
2. 利用 ANSYS 軟體進行馬達電磁分析。
3. 微型馬達光罩設計及製作。
4. 微型馬達定轉子微機電加工。
本年度完成微型磁阻馬達之機械設計，本馬達採用 軸向氣隙型設計，定子 8 極，轉子 6 極，定子外徑 5mm，轉子外徑 4.6mm 定子與轉子厚度皆為 0.2mm 氣隙 0.1mm，採四相驅動，步進角度 15 度。組裝完 成後馬達本體外徑5mm，長度 1.5mm，馬達立體圖如 圖 29 所示。利用 ANSYS 電磁分析軟體驗證其可行 性，磁通密度分析結果如圖30。
馬達定轉子係利用厚膜光阻微影及微電鑄加工，並 配合犧牲層移除技術，與基材分離得到單獨元件，製 程流程圖如圖 31。馬達基座及導磁結構採用精密機械 加工製作，達到低廉加工成本。圖 32 為馬達轉子照 片，圖33 為馬達系統組裝完成照片。
圖29 軸向氣隙式磁阻馬達立體組合圖
圖30 馬達角度 15 度時磁通密度圖
圖31 馬達轉子製作流程
圖32 馬達轉子 SEM 圖
圖33 微型磁阻馬達實體圖 子計畫四所發表的相關論文：
[1] 龐大成、張明暐，“微型線性磁阻馬達設計製作與 測試＂，2004 第三屆台灣電力電子研討會，國立台灣 科技大學，台北市，2004 年 9 月 17-18 日。
[2] 龐大成，“開關式磁阻馬達設計、驅動、控制及應 用—子計畫四：微型開關式磁阻馬達設計、製作與測 試（2/2）＂，國科會電力學門九十二年度研究計畫成
果發表會，國立台北科技大學，台北市，2004 年 10 月23 日。(國科會計畫編號 NSC-92-2213-E-151-010) [3] Liu, C., Chen, Y., Pang, D., “Optimal Design of a Micro Axial Flux Switched-reluctance Motor”, Proceedings of IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMEC), San Antonio, TX, USA, May 15-18, 2005, pp 1130-4.
3. 5 子計畫五:開關式磁阻馬達之智慧型控制與電動機 車之應用 (聯合大學電機系 林志鴻) 本子計畫本年度(第一年)的主要目的在分析及研製 以數位信號處理器控制之開關式磁阻馬達驅動系統及 智慧型控制器之設計。首先對開 關 式 磁阻馬達的理論 及應用進行研究， 藉由實際的馬達參數量測，建立了 開關式磁阻馬達的等效數學模型。然後根據所建置之 數學模型，提出一以遞迴式模糊類神經網路及可變結 構之適應控制之智慧型控制器，並結合監督控制系 統，使智慧型控制器之控制力能在一定範圍之內輸 出，以控制馬達之轉速於一定範圍內。本計畫將採用 數位信號處理器作為控制器，其控制法則皆用軟體方 式來實現，完成部分如下:(1)數位信號處理器控制之 開關式磁阻馬達驅動系統，系統架構方塊圖包括功率 模組反流器、驅動隔離電路、電流感測電路、轉子位 置偵測電路及換相電路，如圖34所示。(2)以遞迴式模 糊類神經網路及可變結構適應控制之智慧型控制器，
並結合監督控制系統之控制方塊圖，如圖35所示。(3) 轉速為1200rpm及2400rpm時之追隨響應實驗量測波形 圖，如圖36所示。(4)硬體電路之照片圖，如圖37所 示。
圖 34 開關式磁阻馬達驅動系統之架構方塊圖
圖 35 以遞迴式模糊類神經網路及可變結構適應控制 之智慧型系統之控制方塊圖
圖36 智 慧 型 控 制 系 統 之 步 階 響 應 實 測 結 果 ： (a)1200rpm時之追隨響應；(b)2400rpm時之追隨響應
Ut
ω
遞迴式 模糊類神經
網路控制
開關式磁阻馬達驅動系統
Kt ∑ Js+B
1 TL
+ _
e ω T
) (s Hp m e
ω URFNN
e
∆e
追隨誤差
向量 E 補償控制 UC
+ + +
_
更新法則 Εγ Γ 智慧型控制系統
oi ij ij ko,m, ,w w&4 &σ& &
監督控制 US
+
1 + 1− z−
UH
Lyapunov 函數
Vs
運算指標
×
I
監督控制系統 參考模式
ω*
電流感測 電路
電流比較及 電流控制器
旋轉編碼器
隔離驅動 電路
脈寬調變電路
b aH H ,
*
ia
*
ib
*
ic
*
id
開關式 C 磁阻馬達
+ -
功率模組 反流器
ia ibicid 直流電源
DC 48V 磁粉式
制動器
位置偵測器 及換相電路
θ
分相命令 電流產生器
ia ib ic id
d c
b aS SS S,,
d c b
aSSS
S, , ,
a+ b+ c+ d+
a+a-b+
b-c+
c-d+d-
a+a-b+
b-c+
c-d+
d-
ω*
+∑
_ 限制器
數位濾 波及微 分電路
ω e速度迴路
控制器 DSP控制板
Ut
電流感測 電路
電流比較及 電流控制器
旋轉編碼器
隔離驅動 電路
脈寬調變電路
b
aH
H ,
*
ia
*
ib
*
ic
*
id
開關式 C 磁阻馬達
+ -
功率模組 反流器
ia ibicid ia ia iibbiicciidd 直流電源
DC 48V 磁粉式
制動器
位置偵測器 及換相電路
θ
分相命令 電流產生器
ia ia ib ib ic ic id id
d c
b aS SS S,,
d c b
aSSS
S, , , a+
a+ b+b+ c+c+ d+d+
a+
a+a-a-b+b+
b- b-c+c+
c- c-d+d+d-d-
a+
a+a-a-b+b+
b- b-c+c+
c- c-d+d+
d- d-
ω*
+∑
_ 限制器
數位濾 波及微 分電路
ω e速度迴路
控制器 DSP控制板
Ut
1200rpm
ω ωm
2s
2400rpm ω ωm
2s (a)
(b) 1200rpm
ω ωm
2s
2400rpm ω ωm
2s (a)
(b)
圖 37 硬體電路之照片圖
3.6 子計畫六:開關式磁阻馬達無軸承控制研究 (淡 江大學機電系 楊勝明)
本子計畫共規畫三年，主要的方向是研製一利用控 制開關式磁阻馬達所產生徑向力使馬達轉子只需一邊 有軸承另一邊磁浮即可旋轉的技術，此技術亦稱為無 軸承或自軸承控制。採用的馬達結構為三相、12/8 極。本年度(第一年)完成的項目如下：
(1) 由馬達的單極吸引力分析開始，最後建立整個12/8 極的數學模式。接著設計一套六極激磁、可以同時控 制馬達之轉矩與徑向力之控制法則；此方法利用電感 上升相的四極以控制轉矩，電感下降相的其中兩個磁 極以控制徑向力，同時激磁六極以產生期望的轉矩與 徑向力。控制系統方塊圖如圖38所示，速度與徑向力 控制器分別計算上述之轉矩與徑向力電流，最後再轉 換為12極線圈之電流命令。電流控制為最內迴路，共 有12組分別控制12極線圈之電流；控制器以磁滯型控 制為主以方便計算。
(2) 本年度的實驗以驗證徑向力控制法則為主，尚未 做到無軸承控制。圖39顯示實驗平台，磁阻馬達轉軸 上聯接一直流無刷馬達作為負載；轉子下方則以4個 應變規固定以量測轉子產生的徑向力。測試時，控制 程式直接產生徑向力命令：Fx*與Fy*，部分實驗結果 如圖40與圖41所示。圖40(a)與(b)分別為轉子偏離A相 對正位置8度，徑向力大小命令4N並以4Hz旋轉時，應 變規所量測之徑向力與相對應的A相電流波形。圖41 則為轉速為400rpm，徑向力大小命令6N並以4Hz旋轉
時，應變規所量測到的徑向力及A相四極的電流波 形。以上的實驗結果顯示設計的控制法則確實可以產 生期望的轉矩與徑向力，但由於未考慮定子極之間的 互感，故徑向力之波形有一些誤差。詳細的徑向力分 析與控制結果可參考後面申請人所發表的相關文獻。
∆T
圖38 控制方塊圖
圖39 徑向力驗證之實驗平台
(a) 電流比較及
電流控制電路
DSP控制板
電流感測電路 功率模組反流器 開關式磁組馬達
磁粉式 制動器 隔離驅動電路
位置偵測器 及換相電路 脈寬調變電路
分相命令電流 產生電路
電流比較及 電流控制電路
DSP控制板
電流感測電路 功率模組反流器 開關式磁組馬達
磁粉式 制動器 隔離驅動電路
位置偵測器 及換相電路 脈寬調變電路
分相命令電流 產生電路
