永磁無刷馬達伺服驅動控制

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姓名

吳宗祐(Zong-You Wu) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

永磁無刷馬達伺服驅動控制
(Permanent Magnet Brushless Motor Servo Drive Control)

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摘要(中)

本研究目的在探討三相同步無刷馬達的伺服驅動控制。控制系統的硬體使用ATmega128微控制器，並配合相應的驅動電路驅動馬達。在運算方法上，使用定點數運算代替浮點數運算，提高運算速度，加快控制頻率。

控制迴路採用雙迴路回授設計，電流大小與激磁角度分別對誤差量進行回授控制，電流回授使用PI控制，激磁角回授則使用I控制與遺忘因子。

本研究所使用的磁性編碼器的磁鈕安裝於後出軸上，而霍爾感測器安裝在定子上，因此安裝時會有偏心誤差。為了提高伺服控制時的精度，本研究將對磁性編碼器的偏心誤差建模及校正，從而得到更準確的角度值。

摘要(英)

The purpose of this research is to investigate the servo drive control of three-phase synchronous brushless motors. The control hardware utilizes the ATmega128 microcontroller, along with the corresponding driver circuitry for motor operation. Fixed-point arithmetic is employed instead of floating-point arithmetic to accelerate computation and increase control frequency.

The control loop design adopts a dual-loop feedback approach, incorporating current feedback and magnetic field angle feedback. The current feedback is implemented using a PI controller, while the magnetic field angle feedback employs an I controller with a forgetting factor. This design effectively regulates the motor operation.

The magnetic encoder’s magnet used in this research is mounted on the motor′s back output shaft, while the magnetic encoder sensor is installed on the stator. Due to potential eccentricity errors during installation, modeling and calibration of the encoder′s eccentricity error are performed to enhance the accuracy of angle measurements in servo control.

關鍵字(中)

★ 伺服馬達
★ 三相永磁無刷馬達
★ PID控制
★ 偏心誤差
★ 定點數運算

關鍵字(英)

★ AC Servo Motor
★ three-phase permanent magnet synchronous motor
★ PID control
★ eccentricity error
★ fixed-point arithmetic

論文目次

第一章緒論 1
1-1研究目的 1
1-2研究動機 1
1-2-1重要性 2
1-2-2困難點 2
1-2-3解決方案 3
第二章理論及技術基礎 4
2-1 三相同步無刷馬達 4
2-2 馬達星形接線與三角接線(Y & △) 4
2-3 SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation） 6
2-4 SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation） 7
2-5 二階內插法 8
2-6 FIR(Finite impulse response)濾波器 8
2-7 齒槽轉矩(Cogging torque) 9
第三章系統設計及實現 11
3-1硬體架構 11
3-2 三相無刷馬達與機構 13
3-3 馬達驅動電路 15
3-3-1 磁性編碼器 16
3-3-2 馬達驅動電路 17
3-3-3 電源系統 20
3-3-4 電流量測電路 21
3-4軟體實現 22
3-4-1角度編碼器溢位處理器 23
3-4-2角度編碼器濾波器 23
3-4-3角度補償器 24
3-4-4命令緩衝器 26
3-4-5電壓大小與相位 27
3-4-6 INTPWM(polynomial interpolation PWM) 29
第四章實驗設計與討論 30
4-1編碼器校正 30
4-1-1補償器誤差模型建立 33
4-1-2剩餘誤差分析 37
4-2同步無刷馬達功率計算 41
4-3伺服驅動與開迴路定位控制 43
4-3-1開迴路定位控制 45
4-3-2伺服定位控制 49
4-3-3定位控制結果分析 53
4-4伺服驅動與開迴路速度控制 54
4-4-1開迴路速度控制 56
4-4-2 伺服速度控制 65
4-4-2 速度控制結果分析 74
第五章結論與未來展望 75
5-1結論 75
5-2未來展望 75
參考文獻 76

參考文獻

[1] H. -C. Chuang, C. -W. Kung, L. -W. Chen and S. -B. Jiang, "Nonlinear Error Correction for Magnetic Encoders," in IEEE Sensors Journal, vol. 23, no. 9, pp. 9129-9135, 1 May1, 2023, doi: 10.1109/JSEN.2022.3214575.
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[7] Texas Instruments, "閘極驅動電路的基本原理",2017
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[13] Analog Devices, Inc, "AD8210 High Voltage,Bidirectional Current Shunt Monitor,2006"
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[16] Atmel, "ATmega128 8-bit Atmel Microcontroller with 128KBytes In-System Programmable Flash"

指導教授

江士標(Shyh-Biau Jiang)

審核日期

2023-7-25

推文