內藏式永磁同步馬達的模式、驅動、控制及應用(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告

內藏式永磁同步馬達的模式、驅動、控制及應用(1/3)

The Modeling, Drive, Control, and Applications for an Interior Permanent Synchronous Motor

計畫編號：NSC 91-2213-E-011-102 執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

主持㆟：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㆟員：張益華、 涂弘燃、 許瑋良、 洪哲凱

執行機構及單位名稱: 國立臺灣科技大學電機系

㆒、㆗文摘要

本計畫旨在探討數位信號處理器為基礎的內藏式 永磁同步馬達的模式、驅動、控制、與應用。文㆗將探 討相關的驅動系統設計及製作，包含：馬達參數鑑定，

硬體電路的設計製作，數位信號處理器控制程式撰寫。

此外，亦針對所建立的永磁同步馬達系統設計㆒比例積 分控制器，以達到㆕象限磁場導向之閉迴路速度控制，

相關的實測結果，亦在本文㆗㆒併加以探討，並與理論 分析做㆒驗證。

關鍵詞：內藏式永磁同步馬達、微電腦控制

Abstract

This project studies the modeling, drive, control, and applications for the DSP-based interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). The details, which include parameter measurement of the IPMSM, design and implementation for the hardware circuit and DSP software programs, are discussed here. In addition, a PI controller is designed to achieve a four-quadrant, field-oriented, closed-loop speed control. Several experimental results are provided to validate the theoretical analysis.

Keywords

Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, Microcomputer-based Control, Digital Signal Processor.

㆓、緣由與目的

永磁式同步馬達已成為伺服及驅動工業的主流。與 感應馬達比較，永磁同步馬達具有效率高、轉矩/電流 比大、散熱佳等優點。近年來，伴隨著磁性材料的價格

降低，永磁同步馬達已普遍的被使用在：工具機、機器 臂、變頻冷氣機、及電動汽機車㆗。

永磁馬達依其氣隙磁通分佈或者反電動勢波形

（Back Electromotive Force , Back EMF）可分為梯形波

（Trapezoid）及弦波（Sinusoid）兩大類型。㆒般反電 動勢的波形為梯形波的永磁馬達稱為直流無刷馬達

（Brushless DC Motor , BLDC），原因是它的轉矩特性 與分激直流馬達相似。只要經由電子換向後，其控制方 法宛如直流馬達，非常簡單，而另㆒種類型的磁通分佈 或者反電動勢波形為弦波的永磁馬達稱為永磁式同步 馬達（Permanent Magnet Synchronous Motor , PMSM）。

永磁同步馬達的轉子依磁極的佈置方式主要可分 為兩大類: 磁極安裝在轉子表面式（Surface-mounted Permanent Magnet , SPM ） 及 磁 極 內 藏 式 （ Interior Permanent Magnet , IPM）。與表面式永磁同步馬達比 較，內藏式永磁同步馬達，具有較堅固的結構。例如，

在高速運轉時，表面式永磁同步馬達磁極容易飛脫，而 內藏式永磁同步馬達則無此顧慮。此外，內藏式永磁同 步馬達，由於具 d-q 軸磁阻的差異，在高速弱磁方面，

若能適當的控制 d-q 軸的電流，將可得到較表面式永磁 同步馬達更為寬廣的控速範圍。目前內藏式永磁馬達已 廣泛的應用在變頻式冷氣機、電動汽車、電梯等實用的 工業，並具有優越的性能。

本計畫主要目的在針對內藏式永磁同步馬達模式

建立，及其驅動方法與實際工業應用，作深入而系統化

的探討。包括：內藏式永磁同步馬達的驅動級硬體製

作，如：光耦合隔離電路、功率級電路、界面電路、電

流偵測及回授電路、以及 DSP 軟體程式設計，並配合

轉軸角度的回授達成磁場導向㆕象限控制，並進㆒步達

到閉迴路的控速系統 [1]~[4]。

㆔、結果與討論

3.1 簡介

內藏式永磁同步馬達由於具有先㆝㆖的優點，加㆖

近年來磁性材料的價格㆘降，其應用已由原來高價位、

高性能的相關應用，擴展到民生工業，如：變頻式冷氣 機、電動機車等[5]~[10]。隨著能源開發的困難，新能 源的開發，及相關用電器具效率的提升，已是世界各國 研究的重點。內藏式永磁同步馬達，具有效率高、較表 面式堅固、性能佳等先㆝㆖的優點，雖然內藏式永磁同 步馬達的驅動及控制較為複雜，但伴隨著微電腦的進步 及控制理論的推陳出新，這些困難都可以逐漸的被克 服。未來內藏式永磁同步馬達將在工業㆗扮演日益重要 的角色。故亟需投入㆟力及物力進行相關的研發。

3.2 基本原理

圖 1 所示為內藏式永磁同步馬達的示意圖。其永久 磁鐵係安置在轉子的內部，以避免高速時磁極產生飛脫 現象。然而，也因此而導致 d-q 軸磁路的不㆒致，使得 d-q 軸電感不同。另㆒方面，表面式永磁同步馬達其永 久磁鐵係安裝在磁極表面，由於其結構具均勻性，故 d-軸與 q-軸的電感相同。昔時，表面式永磁同步馬達，

由於無磁阻轉矩，控制較簡單，故使用較為普及。然而，

近年來許多專家學者指出：內藏式永磁同步馬達在進行 馬達轉軸角度估測時，更為容易。

【圖 1】內藏式永磁同步馬達示意圖

內藏式永磁同步馬達的動態數學模式，在 d-q 軸座 標系統㆘可表示如㆘

(

m

r ds d r r qs r

qs s r

qs

L i

dt i d r

v = + λ + ω + λ ′ )

^{r r} i^r Li^r L dt

i r

v

+ + − ω

= 0

r qs q r r ds r

ds s r

ds

L i

dt i d r

v = + λ − ω 在穩態運轉時，(5)及(6)式的微分項將為零，因此 將可得到永磁式同步馬達做發電機運轉時的穩態方程

e

式

T = [ ( ) ]

2

'

q d q d

miq L L i i

P

λ + −

dt d ω

r

= 1 ( )

L r

e B T

J T

− ω −

^r

式㆗ v ^為 d-軸及 q-軸的端電壓； 為定子電 阻； L 為 d-軸及 q-軸的電感； i ^{為 d-軸及 q-}

軸的定子電流， 為 d-軸及 q-軸的磁通鏈，

v

^rqs

r ds ,

q d

, L

r

s

i

^rqs

r ds,

λ λ

^rds

^,

^rqs

λ′

m e

B

ω

r

為馬達的角速度， 為轉子等效至定子側永久磁鐵產 生的磁通鏈，

T 為馬達的電磁轉矩，

為馬達的磁極 數， 為馬達慣量， 為摩擦係數，

T 為外加負載。

P J L

比例積分 速度 控制器

2 to 3 功率

換流器 i_q

θ θ_r 軟體部分

m

′

r

iqs

dt d

ds

d

ω +

q r

L i

r

s

本計畫第㆒年的主要工作，為進行馬達的參數鑑定及研 製㆒套以 DSP 為基礎的內藏式永磁同步馬達的驅動系 統，以達到控速的目的。相關的說明如㆘:

3.3 系統設計與製作

在系統設計與製作方面可分為硬體和軟體部分。硬 體部分包含延遲電路、電源電路、光耦合隔離電路、功 率換流器、電流偵測和轉軸角度檢測等部分；軟體部分 藉由回授轉軸角度值和其微分的轉速值，經比例積分控 制器產生電流命令，其結構如圖 2。為了達到良好的控 制，需先對馬達參數進行鑑定，方法說明如後。

電流調制 控制器

內藏式 永磁同步

霍爾效應 電流偵測器

轉軸角度 感測器 差

分 器 ω_r*+

-

∆ ω_r *

ω_r

r

硬體部分

i_a* i_b* ic*

i_a i_c i_d^*=0

馬達 T1

3 T2 T

rotor stator

as-axis

d-axis q-axis

as bs-axis

cs-axis

as' cs'

bs

bs'

cs

qr

【圖 2】閉迴路控制系統

3.3.A 馬達參數量測

採用電壓，電流及轉速回授，配合個㆟電腦作計 算，以量測永磁式同步電動機之參數，其㆗包括轉子等 效至定子側磁通鏈 ，定子電阻 ，d-軸及 q-軸等效 電感 、 等。

λ r

_s

L

q L_d

依據(1)及(2)之電壓方程式，在發電機模式㆘運 轉，其反電勢的峰值為 且電流方向與電動機相 反，可重新整理如㆘

m r

λ ω ′

r ds d r q

r qs s r qs m

rλ v ri L ωLi

ω ′ = + + +

(5)

qs q r d

ds s

ds

(6)

(1)

(2)

(3)

(7)

r ds d r r qs s r qs

m

v r i L i

λ

ω ′ = +

(4)

r

qs r

ds s r ds

r i

v + − ω

=

0 ₍₈₎

由(7)及(8)可知，若能夠事先量取 值與 轉子等 效磁通鏈值，且能夠量取端電壓、線電流以及轉速，則

λ

m

′

將可求得永磁式同步電動機的 d-軸及 q-軸的電感值 ( L

_q

、 L

_d

)。經整理後 d-軸及 q-軸電感的計算如㆘

L

= ω

r

= ω L

[

sqs^r

r qs m r r ds r

d v ri

i

ω λ ′ − −

1 ]

^{DSP I/O 11131446 2D3D4D5D6D 4Q5Q6Q 101215}

[

sds^r r r ds qs

q

v r i

i +

1 ]

而整個量測系統方塊圖，如圖 3 所示。系統㆗包括 DSP 微電腦，A/D D/A 控制卡，電流及電壓回授電路，負 載，原動機，及內藏式永磁同步馬達。

內藏式永磁同步馬達

電流及電壓 回授電路

IPMSM

相對位置 編碼器

a b

i , i ω_rm

負載 AD/DA

伺服控制卡 原動機

ab bc

v , v A , B , Z 微電腦

【圖 3】馬達參數量測系統方塊圖

3.3.B 硬體電路設計 B.1 延遲電路

遲電路是為保護 IGBT 所設計的，由於同組 IGBT 的導通與截止是互斥的，也就是㆖臂導通時㆘臂必定是 截止。但功率晶體由截止到導通的時間比由導通到截止 的時間短，因此若沒有延遲電路的設計，則將發生同組 功率晶體同時導通的情形，而造成電源短路現象，導致 IGBT 受損，故有必要將 IGBT 導通觸發信號延遲至同 組 IGBT 截止後才輸出。圖 4 為本系統所使用的延遲電 路。其電路主要由 74193 及 74LS174 所構成。電路動 作原理為：利用 74193 將 DSP 的輸出時脈加以除頻，

輸出至 74174 的觸發時脈輸入端點。當功率晶體觸發信 號經過六個串級 D 型正反器的延遲之後，可延遲 3.5 微秒的時間。而為避免功率晶體同時導通，必須只延遲 觸發信號的正緣部份，而對於負緣部份不加以延遲，故 利用㆒ AND 閘，達成此項目的。

74LS08 1 CLRCLK

9 3 1D

1Q 2 2Q 5 3Q 7

74S174 14 CLR

5 UP 4 DOWN 11 LOAD

CO 12

BO 13

15 A QA 3

1 B QB 2

10 C QC 6

9 D QD 7

74LS193 DSP CLKOUT

1 CLRCLK 9 3 1D

1Q 2 4 2D

2Q 5 6 3D

3Q 7 11 4D

4Q 10 13 5D

5Q 12 14 6D

6Q 15

74LS04

(9)

+5V T1

T1

+5V

T1'

(10)

【圖 4】IGBT 觸發信號延遲電路

B.4 電流量測及控制

由於本文採用磁滯型的電流調制方式，首先要能即 時量測目前負載電流大小，將此負載電流與電流命令比 較後可得到誤差電流訊號，再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 5 所示。其㆗運算放大器是 達成減法器的功能，使輸出達到馬達輸出 5A 對應到 DSP 的 A/D 輸入容許電壓 0~3.3V。此外霍爾效應元件 可精確量測交、直流及脈衝電流，且具有線性、高可靠 度、頻寬大及不受溫度影響的特性。

±

+15V

-15V M

i_a

Hall-effect Sensor (2:1000)

+ ∆v -

+ + -

- +5V

【圖 5】電流量測及減法電路

B.5 轉軸角速度檢知

本文㆗關於旋轉馬達的角/速度偵測是利用增量型 的編碼器，㆒般編碼器係與旋轉角度配合，能輸出 A 相及 B 相的雙相主訊號，並與執行每㆒旋轉㆗之絕對 位置偵測用的零點 Z 相訊號，作為編碼的輸出。因此 利用零點 Z 相訊號與主訊號 A，B 兩相可作為零點位置 檢測，避免計數誤差的累積，本文所採用之編碼器每轉 可產生 1000 個脈衝，作為估測角度的訊號，再透過 DSP 倍頻電路，使得編碼器每轉產生 4000 個脈衝。

3.3.C 軟體流程

本計畫控制軟體之架構如㆘：其流程圖如圖 6 所

示。

返回

得到ia,ib,ic 讀取DSP A/D轉換 得到ia*,ib*,ic*

送出切換狀態 得到切換狀態

得到轉速誤差 計算轉速

電流限制器 得到iq*

開始

㆗斷服務副程式致能 參數初始值設定

暫存器規劃

讀取編碼器值

計算2-3座標轉換

【圖 6】程式流程圖

3.4 實測結果

本計畫是探討內藏式永磁同步馬達驅動系統之應 用。所選用的內藏式永磁同步馬達為臺灣鑫鼎公司所生 產的馬達，其容量為 1 馬力，相關規格如表 1 所示。

表 1 馬達量測參數值 極數（pole） 4

額定轉速 3000 rpm 轉子電阻（r

s

） 1.9 Ω 轉子等效磁通鏈（ λ

_m

′ ） 0.227 V/(rad/sec)

d-軸電感（L

d

） 0.0310 H q-軸電感（L

q

） 0.0151 H

本計畫所研製的驅動系統架構，如圖 7 所示，以 DSP-Based 達到速度控制。硬體電路主要包含功率級及 驅動級電路、電流量測電路及電流調制控制電路，其㆗

電流調制控制為磁滯比較調制控制方法，並進行切換開 關的選擇。整個驅動系統方塊圖如圖 7 所示。主要是由 DSP 內部計算出㆔相電流命令 i 、 、 。然後，與 電流量測電路偵測到的實際電流 、 、 i 比較兩者 的誤差。得到切換狀態，然後送出觸發信號 T

₁

、 T 、 T

經過驅動級光耦合隔離電路，再觸發 IGBT，以避免換 流器之功率晶體因過電流而有燒毀之虞。而相對位置編 碼器則將內藏式永磁同步馬達的位置訊號，經由 DSP 的類比/數位轉換功能讀取至 DSP 內部做比例積分控制 法則運算，以達到速度控制的功能。

* a

i

*

i

b

i

*

i

c

a b c

2 3

內藏式永磁同步馬達

DSP TMS320LF2407

QEP

換流器

電流量 測電路

Vdc + -

IPM

相對位置 編碼器

微電腦

Emulator XDS510PP

a b c

i ,i ,i

A/D PWM

1 2 3

T ,T ,T

延遲電路 光耦合隔離

電路

【圖 7】 內藏式永磁同步馬達驅動系統實作方塊圖

相關的部份實測結果，分別說明如㆘:

圖 8 為轉速 400 轉/分，實際角度實測圖形，由圖㆗知 此時馬達角度為㆒週期性規律的變化，且振幅為 0 與 2 弳間變化。 π

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

時 間(sec) 角度(rad)

【圖 8】轉軸角度實測圖

圖 9，10 為 a 相實際電流與命令電流切換波形圖，由圖

㆗可觀察實際電流可追蹤其電流命令。

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

時 間(sec) 電流(A)

【圖 9】穩態 a 相電流實測圖

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 -2

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

時 間(sec)

電流(A)

【圖 10】穩態 a 相命令電流實測圖

圖 11 為內藏式永磁同步馬達線電壓 Vab 實測圖，其切 換頻率約為 10kHz。

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -60

-40 -20 0 20 40 60

時 間(sec) 電壓(V)

【圖 11】線電壓 Vab 實測圖

圖 12 為轉速在 100 rpm 時的暫態響應之實測圖，由該 圖知該馬達控速系統具有快速的暫態響應。

0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 50 100 150

時間(sec) 轉速(rpm)

【圖 12】轉速 100 rpm 暫態響應之實測圖

圖 13 為轉速 1000 rpm 暫態響應之實測圖，該響應亦相 當良好。

轉速(rpm)

時間(sec)

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

【圖 13】轉速 1000 rpm 暫態響應之實測圖

圖 14 為在轉速 400 rpm 時的加載實測圖，圖㆗顯示所 設計的系統具有良好的抗干擾能力。

0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 100 200 300 400 500 600 700

時 間(sec) 轉速(rpm)

加載

【圖 14】轉速 400 rpm 加載實測圖

㆕、計畫成果自評

本計畫研究內容與原計畫書相符，並達成預期目 標。其㆗，內藏式永磁同步馬達的驅動系統設計及製作

㆗，所有的電流、位置和速度訊號經由電路回授至 DSP 內部，經過㆒比例積分控制器，進行程式的運算，輸出 切換狀態，㆒切架構均甚為精簡。由實驗的結果可以看 出無論內藏式永磁同步馬達在無載或加載的情況㆘，馬 達所顯示出來的性能尚佳。本計畫第㆓年將繼續研究省 略編碼器，改用 sensorless 方式驅動內藏式永磁同步馬 達的相關探討。

本計畫在第㆒年㆗所建立的基礎，將有助於未來

探討轉軸角/速度的估測，及閉迴路 sensorless 驅動技術

的研究。

五、參考文獻

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