感應馬達無感測直接轉矩控制系統

感應馬達無感測直接轉矩控制系統

研究生：陳 銘 良 指導教授：徐 晉 元 博士

國立高雄應用科技大學電機工程研究所碩士班

摘要

本論文主要研究無感測直接轉矩控制系統應用於感應馬達伺服系統上，利用 感應馬達靜態 d-q 軸模型推導估測轉子轉速方程式。無感測直接轉矩控制技術需要 使用精確的馬達參數，因此對馬達參數之測量，提出參數自動量測技術。本文使 用 Matlab/Simulink 來進行無感測直接轉矩控制法則的設計，以方便控制法則的分 析與驗證；並藉由 TeraSoft 公司 xPC-MC240 PCI I/O Card 發展伺服控制器來加以 實現。論文中詳述 xPC 系統軟硬體部分及 MC240 PCI I/O Card 與變頻器的連結。

經由模擬與實驗驗證本文所提出之無感測直接轉矩控制可行性。

關鍵字：感應馬達、無感測直接轉矩控制、參數自動量測、xPC 即時控制

i

The Sensorless Direct Torque Control System for Induction Motor

Student：Ming-Liang Chen Advisor：Dr. Chin-Yuan Hsu Institute of Electrical Engineering

National Kaohsiung University of Applied Sciences

ABSTRACT

In this thesis, we researched the sensor-less direct torque control system applied to an induction motor servo system, using the induction motor stationary d-q axis model to deduce the rotor speed. Because the sensor-less direct torque control system needed accurate motor parameters, we proposed an automatic parameter measuring technique.

To analyze and verify the control rules, We used the Matlab/Simulink to design the sensor-less direct torque control system. In addition to the above, we realized the hardware configuration by the xPC-MC240 PCI I/O Card development servo controller, made by TeraSoft corporation. We described the connections among the xPC soft/hardware, MC240 PCI I/O Card and the inverter in detail. By the simulation and the experiment, we demonstrated the feasibility of the proposed sensor-less direct torque control.

Keywords: Induction Motor、Sensor-less Direct Torque Control、Automatic Parameter

Measurement、xPC Real-Time Workshop Control

誌 謝

終 於 到 了 鳳 凰 花 開 ， 離 情 依 依 時 ， 本 論 文 的 完 成 ， 讓 學 生 內 心 真 是 充 滿 喜 悅 與 感 恩 。 在 此 ， 由 衷 感 謝 指 導 教 授 徐 晉 元 博 士 在 這 兩 年 來 不 辭 辛 勞 地 指 導 ， 使 學 生 在 專 業 領 域 上 更 有 展 獲 。 此外，感謝蔡明祺博士 與蘇琨祥博士等口試委員，於百忙當中撥冗指導，提供許多寶貴精闢的意見與指 正，讓本論文更臻周延與完整。

另 外 ， 要 感 謝 吳 鴻 源 老 師 在 研 究 上 的 教 導 與 協 助 及 同 學 維 雄 、 孟 遠 、 國 欣 、 世 民 、 柏 錕 等 人 在 學 業 上 鼎 力 相 助 、 鼓 勵 與 照 顧 ， 以 及 學 弟 偉 俊 、 丁 元 、 國 哲 及 祥 華 等 人 ， 在 求 學 過 程 及 生 活 上 的 相 互 提 攜 ， 還 有 許 多 幫 助 過 我 的 老 師 們 、 朋 友 同 學 們 以 及 學 弟 們 ， 在 此 一 併 致 上 深 深 的 謝 意 。

最 後 ， 謹 以 本 論 文 獻 給 我 摯 愛 的 雙 親 及 家 人 ， 感 謝 家 人 毫 無 怨 尤 地 付 出。由 於 您 們 的 支 持 與 關 懷，讓 我 在 無 後 顧 之 憂 下 順 利 完 成 學 業 。 於 此 ， 願 將 此 成 果 與 喜 悅 和 親 愛 的 家 人 及 所 有 關 懷 我 的 人 共 同 分 享 。

陳 銘 良 2006.07.06 于 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學

iii

目 錄

頁次

中文摘要……….i

英文摘要………ii

誌謝………...iii

目錄………...iv

表目錄……….viii

圖目錄……….. ix

符號表………..xiv

第一章 緒論………...1

1.1 研究動機………..1

1.2 研究目的………..2

1.3 論文架構………..2

第二章 感應馬達之數學模型………...4

2.1 簡介………..4

2.2 參考座標轉換系統………..5

2.3 感應馬達數學模型之推導………..7

2.3.1 電壓方程式………..7

2.3.2 轉矩方程式………15

2.3.3 馬達機械轉矩方程式………17

第三章 直接轉矩控制系統……….18

3.1 簡介……….18

3.2 直接轉矩控制原理……….18

3.3 靜止參考座標轉換……….22

3.4 比例積分 PI 控制器………23

第四章 無感測量測控制原理……….25

4.1 簡介……….25

4.2 轉子轉速估測之推導……….25

第五章 感應馬達之參數自動量測……….31

5.1 簡介……….31

5.2 直流試驗(DC Test)……….33

5.3 堵轉試驗(Locked-Rotor Test)………35

5.4 無載試驗(No-Load Test)………40

第六章 xPC Target 無感測直接轉矩控制系統………45

6.1 簡介………....45

6.2 軟體架構介紹………....45

6.2.1 xPC Target 系統簡介……….46

v

6.2.2 xPC Target 之環境設定與開機片製作……….47

6.2.3 Real-Time Workshop(RTW)簡介………..54

6.3 xPC Driver 安裝步驟與 TeraSoft xPC-MC240 PCI I/O 卡之 Block 介紹及說 明………...57

6.3.1 xPC Driver 安裝步驟……….57

6.3.2 TeraSoft xPC-MC240 模塊介紹及功能說明………59

6.4 硬體架構介紹………64

6.4.1 整體架構與 TeraSoft xPC-MC240 PCI I/O Card 介紹………....64

6.4.2 TeraSoft xPC-MC240 PCI I/OCard 與變頻器之連結與溝通說明…...67

第七章 模擬與實驗結果……….73

7.1 參數自動量測實驗結果………73

7.2 無感測量測實驗結果………75

7.3 無感測直接轉矩控制模擬與實驗程式………....85

7.4 模擬與實驗結果………87

7.4.1 正轉無載模擬與實驗結果………...87

7.4.2 正反轉無載模擬與實驗結果………...94

7.5 實驗結果討論………99

第八章 結論………...100

參考文獻……….101

附錄……….105

vii

表 目 錄

頁次

表 6.1 TeraSoft xPC-MC240 PCI I/O Card 接腳說明………..68

表 6.2 變頻器 I/O 腳位說明……….70

表 7.1 在穩態時各頻率估測轉速與實測轉速數值……….84

圖 目 錄

頁次

圖 2.1 三相定子與轉子座標和兩相座標參考轉換圖………..5

圖 2.2 q 軸等效電路………..13

圖 2.3 d 軸等效電路……….13

圖 2.4 0 軸等效電路……….13

圖 3.1 直接轉矩控制系統架構圖……….19

圖 3.2 靜止參考座標………....22

圖 3.3 PI 控制器………23

圖 4.1 磁通位置圖………29

圖 4.2 轉子轉速估測圖……….30

圖 5.1 感應馬達 T 模型等效電路圖……….32

圖 5.2 傳統直流試驗接線圖……….33

圖 5.3 感應馬達參數自動量測之直流試驗接線圖……….34

圖 5.4 直流試驗等效電路

……….34

圖 5.5 傳統之堵轉試驗接線圖………36

圖 5.6 堵轉試驗等效電路圖……….36

圖 5.7 虛擬堵轉試驗電路圖……….38

ix

圖 5.8 虛擬堵轉試驗等效電路圖……….39

圖 5.9 傳統之無載試驗接線圖……….40

圖 5.10 無載試驗之等效電路圖………...41

圖 6.1 使用 RTW 與 xPC Target 發展即時控制之程序流程………46

圖 6.2 Host PC、Target PC 與受控體連結示意圖………..47

圖 6.3 進入環境設定之步驟……….48

圖 6.4 環境參數設定……….48

圖 6.5 點選 BootDisk 後對話方塊圖………50

圖 6.6 開始進行製作開機片圖……….51

圖 6.7 xPC Target 開機完成後畫面………..52

圖 6.8 測試 Host PC 與 Target PC I/O 卡示意圖………..53

圖 6.9 測試 Host PC 與 Target PC 網路連結、xPC 和 Visual C 示意圖………53

圖 6.10 RTW 之作業流程……….55

圖 6.11 RTW Build 之設定圖………...56

圖 6.12 選擇 xpctarget.tlc 之設定圖………..56

圖 6.13 RTW Build 設定完成圖………...57

圖 6.14 設定 xPC_MC240_PCI_TeraSoft_xPC_Driver 的路徑………..58

圖 6.15 TeraSoft_xPC_Driver Blockset………58

圖 6.16 xPC-MC240 Initialization………59

圖 6.17 xPC-MC240 Initialization Block 之參數設定……….59

圖 6.18 xPC-MC240_ADC………...60

圖 6.19 xPC-MC240_ADC Block 參數設定………....60

圖 6.20 xPC-MC240_DAC………...61

圖 6.21 xPC-MC240_DAC Block 參數設定………....61

圖 6.22 xPC-MC240_PWM………..62

圖 6.23 xPC-MC240_PWM Block 參數設定………...62

圖 6.24 xPC-MC240_QEP………63

圖 6.25 xPC-MC240_QEP Block 參數設定……….63

圖 6.26 整體系統架構示意圖………...64

圖 6.27 TeraSoft xPC-MC240 PCI I/O Card 硬體架構圖………65

圖 6.28 PLX9052 與 DSP F240 溝通示意圖………66

圖 6.29 TeraSoft xPC-MC240 PCI I/O Card 實體圖………69

圖 6.30 變頻器實體圖………..69

圖 6.31 PWM 測試模擬圖………72

圖 7.1 各頻率下轉子電阻曲線圖……….73

圖 7.2 各頻率下漏電感曲線圖………74

圖 7.3 各頻率下互感曲線圖……….74

圖 7.4 由 PC 介面卡之 PWM 切換開關產生相電壓電路………..76

xi

圖 7.5 PC 介面卡之 PWM 送出之相電壓………77

圖 7.6 PC 介面卡之 PWM 送出經濾波相電壓………77

圖 7.7 d-q 軸定子磁通估測圖………..78

圖 7.8 d-q 軸轉子磁通估測圖………..78

圖 7.9 微分 d-q 軸轉子磁通估測圖……….79

圖 7.10 無感測量測在各頻率之轉速響應圖………..80

圖 7.10.1 無感測量測在各頻率之轉速響應圖………81

圖 7.11 由感測器實測在無載各頻率之轉速響應圖………...82

圖 7.11.1 由感測器實測在無載各頻率之轉速響應圖………83

圖 7.12 無感測量測與感測器實測在各頻率下轉速曲線圖………..84

圖 7.13 無感測直接轉矩控制模擬程式………..85

圖 7.14 無感測直接轉矩控制實驗程式………...86

圖 7.15 無感測直接轉矩控制法模擬之 900(rpm)轉速響應圖………..88

圖 7.16 無感測直接轉矩控制法實驗之 900(rpm)轉速響應圖………..89

圖 7.17 無感測直接轉矩控制法實驗之 1500(rpm)轉速響應圖………90

圖 7.18 無感測直接轉矩控制法實驗之 900-1800(rpm)轉速響應圖………..91

圖 7.19 無感測直接轉矩控制法實驗之 1500-300(rpm)轉速響應圖……….91

圖 7.20 無感測直接轉矩控制法之磁通響應圖………...92

圖 7.21 無感測直接轉矩控制法之定子磁通軌跡圖………..93

圖 7.22 無感測直接轉矩控制法模擬之 900(rpm)正反轉磁通響應圖………...94 圖 7.23 無感測直接轉矩控制法實驗之 900(rpm)正反轉轉速響應圖………...95 圖 7.24 無感測直接轉矩控制法實驗之 1500(rpm) 正反轉轉速響應圖…………...96 圖 7.25 無感測直接轉矩控制法之正反轉磁通響應圖………...97 圖 7.26 無感測直接轉矩控制法之正反轉定子磁通軌跡圖………..98

xiii

符 號 表

f

、 f

三相靜止座標之定子與轉子的函數表示 f

、 f

同步旋轉 座標軸之定子與轉子的函數表示

三相靜態座標之定子與轉子的函數表示 d-q

s

f

、 f

f

、 f

靜態 座標軸之定子與轉子的函數表示

、 感應電動機之三相定子與轉子電壓向量

d-q

v

v

(V )

v

、 v

同步旋轉 d-q 座標軸之定子與轉子電壓向量

、 感應電動機之三相定子與轉子電流向量

、 同步旋轉 d-q 座標軸之定子與轉子電流向量

) (V

i

i

(A )

e

i

i

(A )

i

、 i

d-q 靜止座標軸之定子與轉子電流向量

、 感應電動機之三相定子與轉子磁通向量

) (A

λ

λ

( ^{V s −} )

λ

、 λ

同步旋轉 d-q 座標軸之定子與轉子磁通向量 ( ^{V s −} )

λ

、 λ

d-q 靜止座標軸之定子與轉子磁通向量 ( ^{V s −} )

λ

、 λ

感應馬達定子與轉子合成磁通 ( ^{V s −} )

r 、

r

感應電動機之定子與轉子電流電阻矩陣 ( ) ^Ω

r 、

r

感應電動機之定子與轉子電阻 ( ) ^Ω

L 、

L

感應電動機之定子與轉子電流電感矩陣 (H )

L 、

L

感應電動機之定子與轉子電感 (H )

L

感應電動機之定子與轉子線圈間之互感

、 感應電動機定子線圈之漏電感與磁化電感

、 感應電動機轉子線圈之漏電感與磁化電感

) (H

L

L

(H )

L

L

(H )

L

感應電動機之定子與轉子間磁化電感-互感 (H ) L

感應電動機之合成漏電感 (H )

ω

同步旋轉參考座標軸之空間電氣角速度 (rad/s ) ω

轉子旋轉參考座標軸之空間電氣角速度 (rad/s ) ω

轉子轉軸之機械角速度 (rad/s )

θ

同步旋轉參考座標軸之空間電氣角位置 (rad ) θ

^{轉子電氣角位置} (rad )

θ

轉子機械角位置 (rad )

W

感應電動機儲存於耦合磁場之能量

感應電動機機械所獲得之能量 感應電動機產生之電磁轉矩 W

T

( N ⋅ m )

T

感應電動機轉軸上因黏滯摩擦損失之轉矩 ( N ⋅ m )

xv

T

感應電動機帶動之負載轉矩 (N ⋅ m ) 感應電動機之極數(poles)

感應電動機之轉動慣量 P

J

( ^{kg − m}

)

B

感應電動機之摩擦係數 ( ^{N m ⋅ /} ( ^{rad s /} ) )

dt

p = d 微分運算子(differential ope rator)

K

、 K

PI 控制器之微分控制參數與積分控制參數

σ 感應馬達之漏磁係數

τ

感應馬達之轉子時間常數