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運動控制概論 期末報告 資料出處︰ 無速度感測器之直接轉矩控制感應馬達驅動器 研 究 生：曾 仁 煒 指導教授：徐 國 鎧 博士 國 立 中 央 大 學電 機 工 程 研 究 所 班級︰控晶四乙 老師︰王明賢 學生︰蔡文凱 摘要 • 感應馬達在本身結構特性上有許多的優點，如架構堅固、 亦於維護、價格便宜等優點，所以在工業應用的場合中， 感應馬達是扮演了相當重要的角色。近幾年來更由於向量 控制技術日漸成熟，特別是直接轉矩向量控制的發展，使 得感應馬達能擁有如直流馬達一般優異的操控性能，所以 可以預見，結合向量控制技術的感應馬達驅動器將會漸漸 地成為市場上的主流。 • 然而在高性能的感應馬達控制中，為了使整個轉速操作 範圍都有快速的轉速轉矩響應，通常都需要加裝速度感測 器作回授信號的量測，但是在驅動系統中安裝感測器不僅 增加系統的成本、維修上的難度、也降低了驅動器的強健 性及系統的可靠度。 • 因此在本論文中將設計無感測器系統，以避免感測器所 造成上述的問題。設計的方式是以端電壓及線電流的回授， 估算出磁通的同步旋轉速度，並經由滑差轉速的估算與補 償後,得到估測的馬達轉速，完成無感器閉迴路的速度控 制。並且針對傳統無感測器系統在加載操作情況下，矩無 法有效輸出的缺點，提出以模糊滑差轉速估算器來取代傳 統滑差轉估測式，有效的提昇加載時系統的轉矩響應，使 得系統在無需感測器的況下，仍然具有良好的轉速及轉矩 輸出，增加系統的可行性與實用性。 • 由於本論文所設計的無感測器系統是以直接轉矩控制為 基礎，所以其效能是直接的受到磁通估測準確性所影響。 因此，本論文將針對低轉速時磁通估測所造成的問題，應 用新型磁通估測補償器來估算磁通，有效的改善低轉速時 磁通估算的正確性，同時也提高了無感測器系統在低轉速 時的性能。 無速度感測器之直接轉矩控制系統設計 • 在感應馬達的驅動器設計上，編碼器(Encoder) 經常使用在感應馬達的位置、及速度控制；由於 感應馬達的構造特性結構簡單，堅固且不需維護 所以適合應用在各種惡劣的場所，但為了達成位 置或速度控制將編碼器安裝於感應馬達之外，不 但造成系統維護不易，且使得馬達可操作的環境 減少，不但喪失了感應馬達的優勢，更使得整體 系統的強韌度大幅的降低了，再者編碼器之裝設 將大幅提高硬體的成本，並不符合經濟上的效益。 • 而直接轉矩控制其優點在於，不需經由複雜的 數學運算作解耦合的動作，其架構相當簡單具有 易於實現的優點，並且其控制方式是直接對轉矩 作控制，所以非常適合需轉矩響應快速的場合； 此外控制計算過程中，亦只需馬達參數中的定子 電阻，使得系統受參數擾動的影響減少，相對而 言，此種向量控制方式其系統強健性也較高。若 能設計出不需硬體感測器的驅動系統，避免感測 器所帶來的問題，並結合直接轉矩向量控制的種 種優點，想必此新型系統其實用上的價值將遠遠 超過傳統的設計方式。 • 所以以直接轉矩控制為基礎的核心架構，同時為 了降低成本且維持系統的強韌度，設計轉矩響應 快且不需編碼器之無速度感測回授之直接轉矩控 制感應馬達驅動器，為本論文研究的重點。 無速度感測設計 • 前一章節的系統是使用編碼器(Encoder)完成速度 回授控制，優點是硬體式感測不佔用控制器計算 的時間，缺點是會增加硬體的成本，且會降低感 應馬達本身結構強健的優勢。所以本節將設計以 軟體估算方式來估測轉子旋轉的速率，以避免使 用硬體感測器所造成的缺點。 • 由於感應馬達向量控制的技術日趨成熟，許多研 究朝向驅動系統性能之增進為發展的目標，其中 無感測器系統的設計，為近年來相當熱門的主題， 也發展出許多不同的轉速估測方式，包括採用端 電壓與電流回授估測的開迴路架構[33]~[36][52]、 運用分析電壓諧波方式[24][25]、參考模型適應系 統(MARS)[26]~[28]、使用觀測器 (Observers)[29]~[31]、以及應用人工智慧 (Artificial Intelligence)[32]等方式，而本論文主要 是應用電壓與電流回授估測架構方式，完成無感 測器系統的設計，相較於上述其它無感測器設計 的方法，有易於瞭解與實現的優點。以下將詳細 介紹此種無感測器架構設計的方法。 • d-q 軸旋轉向量座標圖，為不同旋轉參考座標下 的向量圖，其中d s − qs是固定在靜止的定子座標 上，d r − qr是固定在轉子旋轉速度上的垂直座標， 而同步旋轉座標d e − qe則是固定在轉子磁通上且 超前d r − qr座標一個滑差角度sl θ ，其角速度可 表示成sl ω 。 同步旋轉速度估測方式 • 若想估算出馬達的同步旋轉速度，可將同 步旋轉座標與固定軸座標之夾角θe微分來 求得，而上述的同步旋轉座標係固定在轉 子磁通之上。 • 轉子磁通與同步旋轉座標間的關係，且由 圖中所示可知，我們可利用定子參考座標 下轉子磁通d-q軸的分量來求得同步旋轉磁 通角θe。即下式所示 • 則同步旋轉速度ωe ，會等於磁通角的微分， 如下式所示 • 通常在估算定子磁通時會以低通濾波器來 取代純量積分的計算，但是使用低通濾波 器估算時，會造成定子磁通上大小與相角 的誤差，特別是在馬達低轉速操作時誤差 將更為的明顯，由於此種轉子磁通估測器 內，包含了定子磁通估測的計算，所以同 樣的使用電壓型轉子磁通估測器所估算出 的轉子磁通量，在馬達低轉速操作時也會 有誤差的情形產生。 • 定子磁通估算發生錯誤，會直接的造成直接轉矩 控制選擇到錯誤的電壓向量命令，降低馬達低轉 速操作時系統穩態及暫態的性能。轉子磁通估算 誤差，會造成無感測器系統估算同步旋轉速度時 發生誤差，使的轉速估算不準確，無法作出正確 的轉速的控制。所以為了達到高精準度的設計， 並改善低通濾波器在馬達低轉速操作時，估測磁 通大小與相角誤差所造成的問題，在本論文中應 用了新型磁通估算補償器架構[39]，有效的改善 低通濾波器所造成的問題，進而提昇無感測器之 直接轉矩控制系統在低轉速操作時轉矩響應的效 能。 滑差轉速估測方式 • 感應馬達在定子同步旋轉磁場與轉子旋轉速度間， 存在一非同步的速度差稱之為滑差轉速(SlipSpeed)。無感測器之直接轉矩控制系統若欲獲得 良好的轉矩輸出與轉速響應，則必須求得準確的 滑差轉速來確認轉子旋轉的速度，若是估算的滑 差值不正確，則無法得到正確的轉子轉速，造成 轉矩控制產生誤差，當然無法達到命令的轉速與 轉矩響應，即產生誤動作。所以由上述可知，對 於無感測器之直接轉矩速度控制系統來說，滑差 轉速估算的正確性就顯得相當重要了。 • 在計算滑差轉速時，將參考座標定在轉子 磁通同步旋轉參考座標上，再根據(2-8)(2-9) 式，則在同步旋轉座標下轉子端電路方程 式可表示為(4-8)與(4-9)式 • 而轉子磁通方程式可根據(2-10)(2-11)表示 為下式，其中s ls m L = L + L 、r lr m L = L +L。 • 將(4-10)(4-11)式分別代入(4-8)與(4-9)式， 且根據(4-1)式，則方程式可化簡 無速度感測器之直接轉矩控制系統 設計 • 由(4-1)式可得到轉子轉速ωˆ rωˆsl−ωˆ ，我 們透過4.1 節中所推導的電壓型轉子磁通估 測，可估算出轉子磁通向量並求得同步旋 轉速度ωˆe，再利用滑差轉速估測可求得滑 差轉速為 ωˆ sl ，將同步旋轉速度ωe 與滑 差轉速 ωˆ sl分別用(4-3)與(4-22)式取代， 則我們可以得到所欲估算的轉子轉速ωˆr 如 下式所示。 模擬與實驗 • 圖4.7 為模擬系統的方塊圖包含了感應馬達型、 直接轉矩控制器、以及座標軸轉換矩陣、轉矩磁 通與速度估測器等。其中無感測器系統中重要的 轉速估測方法已經在4.1 與4.2 節中有詳盡的介紹 了，而估測的轉速值會回授到PI 速度控制器作速 度控制。因此，無論在模擬或實驗中都必須觀察 命令轉速*r ω、編碼器轉速(即實際轉速) rω 以及 估測轉速rωˆ 三個轉速信號，觀察三個信號的暫 態與穩態的響應，以驗證無感測器之直接轉矩速 度控制系統的可行性。 模擬結果【0~1000rpm】 模擬結果【0~100rpm】 結論與討論 • 本文中所使用的無感測器估測轉速方式，主要是利用反 電動勢估測定子磁通後，並利用式(4-7)與式(4-22)中所推 導出的估算式，估算出轉子磁通與滑差轉速，並根據轉子 磁通角求得同步旋轉速度，而同步旋轉速度與滑差轉速間 的差值即為所估測的轉子轉速，由於此無感測器系統是建 構在磁通估算上，所以本文中之無感測器架構性能，是與 磁通估算準確性息息相關密不可分的。且從數據中可了解 低轉速運轉時，由於磁通估算受到參數擾動的影響較為嚴 重，使得旋轉磁通角估算產生許多的漣波，以致於無法精 確估測馬達轉速，因此系統轉速與轉矩響應效果會較差， 造成馬達實際操作上噪音與轉速不平滑的現象產生。 • 並由實驗的結果，可知此無感測器驅動系 統在加載後，無法正確的估算出加載操作 時馬達的實際轉速，且由於估測出的轉速 趨近於命令轉速，使得以估測轉速回授之 無感測器系統在加載運轉下，誤認為實際 轉速已到達命令值，反而降低轉矩命令， 最終將使得馬達實際的輸出無法帶動負載。 要如何改善此重大的缺失，就成為了重要 的課題。 參考文獻 [1] ABB Corporation Power Electronics System Products, http://www.abb.com/. [2] I. Takahashi and Y. Ohmori, “High-performance direct torque control of aninduction motor” IEEE Trans. Industry Applications, vol.25, no.2, pp.257-264,Mar./Apr. 1989. [3] T. G. Haberler and D. M. Divan,“Control strategies for direct torque controlusing discrete pulse modulation”IEEE Trans. Industry Applications, vol. 27,no. 5, pp.893-901, Sept./Oct. 1991. [4] D. Casadei, G. Grandi, G. Serra, and A. Tani,“Effects of flux and torquehysteresis band amplitude in direct torque control of induction machinesIECON ‘94 20th International Conference on Industrial Electronics, Controland Instrumentation, vol.1, pp. 299-304, 1994. [5] G. Buja and D. Casadei,“DTC-based strategies for induction motor drives”IECON ‘97 23rd International Conference on Industrial Electronics, Controland Instrumentation, vol. 4, pp. 1506-1516, 1997. [6] M. P. Kazmierkowski and A. B. Kasprowicz,“Improved direct torque andflux vector control of PWM inverter-fed induction motor drives”IEEE Trans.Industry Electronics, vol. 42,no.4, pp.344-349, Aug. 1995. [7] H. Y. Zhong, H. P. Messinger, and M. Rashad,“A new micro-computer baseddirect torque control system for three phase induction motor”IEEE Trans.Industry Applications, vol.27, no.2, pp. 294-298, Mar./Apr. 1991. [8] C. Attaianese, A. Perfetto, A. Damiano, and I. Marongiu,“A direct torquecontrol algorithm imposing the mechanical response of speed controlledinduction motor drives,”ISIE‘96, Proceedings of the IEEE InternationalSymposium on Industrial Electronics, vol.1, pp.157-162, 1996. [9] T. G. Habetler, F. Profumo, M. Pastorelli, and L. M. Tolbert,“Direct torquecontrol of induction machines using space vector modulation”IEEE Trans.Industry Applications, vol.28, no.5, pp.1045–1053, Sept./Oct. 1992. [10] A. Purcell and P. Acarnley,“Multilevel hysteresis comparator forms fordirect torque control schemes”Electronics Letters, vol.34, no.6, pp.601– 603,Mar. 1998. [11] D. Casadei, G. Serra, and K. Tani,“Implementation of a direct controlalgorithm for induction motors based on discrete space vector modulation”IEEE Trans. Power Electronics, vol.15, no.4, pp.769-777, July. 2000. [12] C. Attaianese, V. Nardt, A. Perfetto, and G. Tomasso, “Vectorial Torquecontrol: A novel approach to torque and flux control of induction motorTrans. Industry Applications, vol.35, no.6, pp.1399-1405,Nov./Dec. 1999.