無刷直流馬達直接轉矩控制方法之轉矩漣波改善

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姓名

鍾昭玟(Chao-Wen Chung ) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程研究所

論文名稱

無刷直流馬達直接轉矩控制方法之轉矩漣波改善
(The Torque Ripple Improvement of Brushless DC Motor by Direct Torque Control Method)

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摘要(中)

本論文以改善無刷直流馬達轉矩漣波為主要的研究方向，輔以定點式單晶片數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)及硬體電路為實現的基礎。
以直接轉矩控制法(Direct Torque Control, DTC)設計驅動器時，傳統的電壓向量切換方式並不能同時兼顧動態和穩態的性能要求，所以本論文實現二種改良型的DTC電壓向量切換方式。第一種方式是於變頻器控制中加入零向量切換狀態，由傳統的三階轉矩控制迴路轉為五階；而第二種方式則是劃分空間向量區域為十二個區間，而不是傳統的六個區間。如此，使得DTC的轉矩輸出不論動態或穩態都能有優異的表現，並進而改善傳統DTC之穩態轉矩漣波現象。
在設計整體驅動器及控制系統時，若能輔以電腦輔助設計系統，常常能有事半功倍的效果，所以在本論文中也以電腦模擬的方式先行對DTC之控制架構做一模擬，以利於和實驗結果相互驗證。
由本論文的分析、研究、模擬和驗證，可證明本論文所提出的改良型直接轉矩控制方法，確實改善了無刷直流馬達的轉矩漣波，並符合了實際應用場合的高性能需求。

摘要(英)

The paper describes an investigation of direct torque control(DTC) for brushless dc motor (BDCM) drives. The paper implementation two DTC methods and compare the two methods with traditional DTC on torque ripple of BDCM.The implementation of DTC in BDCM drives is discussed and the switching table specific for BDCM is also derived.The simulation and experimental results show that the torque ripple and response are extremely good than traditional DTC.

關鍵字(中)

★ 直接轉矩控制
★ 直流無刷馬達
★ 轉矩漣波

關鍵字(英)

★ Brushless DC Motor
★ Direct Torque Control
★ Torque Ripple

論文目次

摘要…………………………………………………..…………I
誌謝…………………………………………………….………II
目錄…………………………………………………………IV
圖目錄…………………………………………………...……VI
表目錄………………………………………….…..………X
第一章緒論……………………………………………………1
1.1.研究的背景與動機…………………………..……….….1
1.2.研究的目的與方法……………………………………..2
1.3.內容大綱…………….……………………………….…3
第二章文獻回顧…………………………………….………5
2.1.DTC的理論與應用…………………………………….....5
2.2.DTC特性分析結果…………….…………………… 12
第三章無刷直流馬達的數學模型…..…..…………………..14
3.1.座標轉換….……..………………...…………..….. 14
3.1.1.三軸與二軸間的轉換…………....………………15
3.1.2.二軸靜止與同步間的轉換………………………16
3.2.無刷直流馬達的動態數學模型……….…………16
第四章改良型直接轉矩向量控制法………………..……... 21
4.1.傳統直接轉矩向量控制系統基本架構及原理..…………21
4.2.改良型直接轉矩向量控制切換法……………………..…26
4.2.1.改良切換狀態表A之設計方法…………………29
4.2.2.改良切換狀態表B之設計方法………….……...33
4.3.模擬系統與結果……………………..……………………37
第五章無刷直流馬達直接轉矩控制驅動器之實現………..47
5.1.前言…….……………………..………………………….47
5.2.數位控制器單元……………..…………….…………….48
5.3.變頻器電單元………………..…………………………..52
5.4.電流感測與濾波電路單元………..……..………………54
5.5.無感測器電路單元…………..……………..……………54
5.6.無感測器馬達起動方式…………………………………55
5.7.無刷直流馬達參數…………….………………………...56
5.8.實驗結果………………………….……………………...57
第六章結論與建議…………………………………………73
6.1.結論…….………………………………………………...73
6.2.建議……………………………..………………………..74
參考文獻………………………….…………………………...75
圖目錄
圖2.1 定子磁通向量的變化………..…………………………………...6
圖2.2定子磁通與轉子磁通在不同參考座標上之關係………………..8
圖2.3空間上電壓向量…………….………………..………………….10
圖3.1兩相靜止與兩相同步座標軸物理量……..……………………..15
圖3.2三相二極無刷直流馬達構造圖.………………………………...17
圖3.3無刷直流馬達等效電路……………………….………………...18
圖4.1傳統直接轉矩控制法架構圖….………………………………...22
圖4.2三相變頻器開關…….………………………..………………….23
圖4.3傳統切換狀態的平面空間向量表示圖…………………………25
圖4.4定子磁通、電壓與電流關係圖…………..……..………………..26
圖4.5改良型直接轉矩控制法架構圖………….……………………...28
圖4.6轉矩與磁通磁滯比較器….………..……………………………28
圖4.7五階轉矩磁滯比較器……………………………………………30
圖4.8改良切換狀態表A的平面空間向量表示圖……………………32
圖4.9改良切換狀態表A於區間I之狀態說明.……………………….32
圖4.10改良切換狀態表B的平面空間向量表示圖…………………..35
圖4.11改良切換狀態表B於區間I之狀態說明………..……………..35
圖4.12直接轉矩向量控制模擬架構圖…………..………….………...39
圖4.13傳統直接轉矩向量控制模擬架構圖…………………………..40
圖4.14改良型直接轉矩向量控制模擬架構圖………………………40
圖4.15傳統切換策略轉矩響應圖，取樣頻率10KHz…………………41
圖4.16傳統切換策略定子磁通響應圖，取樣頻率10KHz……………41
圖4.17傳統切換策略轉矩響應圖，取樣頻率20KHz…….…………42
圖4.18傳統切換策略定子磁通響應圖，取樣頻率20KHz……………42
圖4.19改良型A切換策略轉矩響應圖，取樣頻率10KHz……………43
圖4.20改良型A切換策略定子磁通響應圖，取樣頻率10KHz………43
圖4.21改良型A切換策略轉矩響應圖，取樣頻率20KHz…………....44
圖4.22改良型A切換策略定子磁通響應圖，取樣頻率20KHz………44
圖4.23改良型B切換策略轉矩響應圖，取樣頻率10KHz……………45
圖4.24改良型B切換策略定子磁通響應圖，取樣頻率10KHz………45
圖4.25改良型B切換策略轉矩響應圖，取樣頻率20KHz……………46
圖4.26改良型B切換策略定子磁通響應圖，取樣頻率20KHz……....46
圖5.1市售德州儀器之TMS320F240馬達專用DSP控制板…………49
圖5.2德州儀器之TMS320F240晶片內部控制單元………………….49
圖5.3全數位化驅動器程式流程圖….………………………………...51
圖5.4變頻器電路單元………………………...……………………….52
圖5.5 HCPL 4503方塊圖………………………………………………52
圖5.6驅動IC IR2110 方塊圖…………………………..……………...53
圖5.7電流感測與濾波電路圖…………………………………………54
圖5.8無感測器電路圖………………………….……………………55
圖5.9馬達三相電流波形…………………..……………....…………59
圖5.10馬達換相區間估測波形…………………..……………………59
圖5.11無感測器電路輸出波形……………....………………………..60
圖5.12馬達端電壓及三相換相訊號波形………....…………………60
圖5.13傳統切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率10KHz…………61
圖5.14傳統切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率10KHz…………61
圖5.15傳統切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率10KHz……………62
圖5.16傳統切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率10KHz……….…...62
圖5.17改良A型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率10KHz……63
圖5.18改良A型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率10KHz……63
圖5.19改良A型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率10KHz………64
圖5.20改良A型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率10KHz………64
圖5.21改良B型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率10KHz……65
圖5.22改良B型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率10KHz…....65
圖5.23改良B型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率10KHz………66
圖5.24改良B型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率10KHz………66
圖5.25傳統切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率20KHz….……...67
圖5.26傳統切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率20KHz……..…..67
圖5.27傳統切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率20KHz……….…...68
圖5.28傳統切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率20KHz……………68
圖5.29改良A型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率20KHz……69
圖5.30改良A型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率20KHz……69
圖5.31改良A型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率20KHz………70
圖5.32改良A型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率20KHz………70
圖5.33改良B型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率20KHz……71
圖5.34改良B型切換策略定子磁通估測響應，取樣頻率20KHz…....71
圖5.35改良B型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率20KHz………72
圖5.36改良B型切換策略之轉矩控制響應，取樣頻率20KHz………72
表目錄
表2.1無刷直流馬達電壓向量切換表…….………….………………..11
表4.1傳統電壓向量切換表…………………………..………………..25
表4.2改良切換狀態表A……………………………………………….33
表4.3改良切換狀態表B……………………………………………….36
表4.3改良切換狀態表B(續)………………………….……………….36

參考文獻

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指導教授

徐國鎧(Kuo-Kai Shyu)

審核日期

2001-7-7

推文