馬達控制研究

 

 

研究介紹:

 

        開關切換組主要研究內容為馬達與D類放大器之開關切換策略研究,目的為開發更有效率的開關切換策略以提升馬達與D類放大器之系統效率,此組成員們會自製馬達與D類放大器之功率級電路(如圖1),再將所開發之開關切換策略實現在電路上,最後以實驗數據驗證所開發之開關切換策略的實際效益。

1:馬達系統架構圖

 

實驗室成員:

 

姓名

學籍

研究摘要

林昭男

已畢業

多相多階層開關切換策略控制永磁同步馬達

多相馬達控制系統、多率空間向量調變策略控制永磁同步馬達

洪綜韓

已畢業

切換磁阻馬達開關切換策略

吳文娟

已畢業

切換磁阻馬達開關切換策略

劉品毅

已畢業

D類放大器開關切換策略

 

已畢業實驗室成員:

 

  • 陳鏗元 博士,論文《多相多位準電壓源反相器之切換策略控制與分析》
  • 鄧智謙 碩士,論文《使用多維量化回授調變於永磁同步馬達控制》
  • 李湘筑 碩士,論文《使用多相空間向量脈寬調變之五相馬達諧頻分析與控制》
  • 李業文 碩士,論文《使用多率濾波器脈波寬度調變於切換式磁阻馬達控制》

 

代表性研究成果:多維度迴授量化理論切換控制策略

胡竹生教授團隊研發出多維度迴授量化理論切換控制策略(Multidimensional Feedback Quantization Modulator, MDFQM),結果發表於IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 58, NO.7, JULY 2011期刊。MDFQM除了與SVPWM控制策略有相近的馬達控制表現和相電流諧波失真表現之外,還能減少開關切換次數,目前成果約可降低25%的開關切換次數,所減少的開關切換次數能降低電晶體之工作溫度,將可減少散熱片體積與重量、延長開關元件之壽命,並且提升功率級的驅動效率。

 

()技術特點

 

        MDFQM可應用於三相電壓源變頻器馬達控制(2)MDFQM核心觀念為補償參考線電壓與輸出線電壓之間的誤差,使輸出線電壓對參考線電壓有更佳的追蹤能力,並且在一切換周期只輸出一空間電壓向量(3),達到減少開關切換次數的效果。補償的濾波器為其中,p是系統狀態的個數。

       
2:三相電壓源變頻器架構                        圖3:輸入與輸出二維量化關係圖


(
)成果說明

Renesas SH7137平台使用MDFQM切換控制策略控制750W永磁同步馬達(HVP75),直流鏈電壓為60V,最大限電流為55A,採用場效導向控制方法(FOC)作為控制架構。實驗所採用的開關規格為

1CMF20120D開關規格

SVPWMMDFQM實驗數據如下:

2數據說明,150rpm定轉速條件下,隨著取樣頻率上升,SVPWMMDFQM之間的開關溫度會差更大,但若取樣頻率太低,MDFQM受到轉矩漣波較大的影響,造成通過開關的電流上升,導致溫度響應會較SVPWM(4)

2150rpm定轉速不同取樣頻率的影響



4SVPWMMDFQM同轉速不同取樣頻率開關溫度響應比較圖


        3數據說明,取樣頻率8k條件下,隨著馬達轉速上升,SVPWMMDFQM之間的開關溫度會差更大,但轉速越大,所節省的開關切換次數越少,造成高轉速SVPWMMDFQM之間的開關溫度幾乎相同(5-6)

3 8k取樣頻率不同轉速的影響


     

圖5
SVPWMMDFQM不同轉速同取樣頻率開關切換次數比較圖         圖6SVPWMMDFQM不同轉速同取樣頻率開關溫度響應比較圖

 

研究專題:

      •  D類音頻放大器
      • 低頻切換之高效率馬達驅控器
      • 多相電壓源反向器調變法則

         


         

        研究專題1 - D類音頻放大器

         

            D類放大器具備高功率效益之優點(功率效益之理論值為100%),因此被廣泛應用於音頻放大、風力發電或馬達驅動,然而採用D類放大器之主要瓶頸為調變器之設計,傳統的脈波寬度調變器(PWM)雖然架構簡單,但若應用於音頻放大系統中,會有諧波失真之問題,而後來被提出之sigma-delta 調變器(SDM)具有雜訊頻帶塑型(Noise-shaping)的效果,因此可大幅改善失真問題,然而sigma-delta調變器之應用瓶頸為參數設計不易,容易有系統穩定度的問題。

            本實驗室已發展出高階SDM設計法則,可以設計出穩定以及高響應品質之D類放大器,成功以FPGA實驗平台驗證並應用於雙聲道/5.1聲道之音樂撥放器中(下圖A和圖B),並且將SDM更進一步改良為1.5-bit切換架構,可以以更少的切換次數達到更高的響應精準度 (圖C)。

           
          圖A. 雙聲道音頻放大器驗證平台            圖B. 5.1聲道音頻放大器驗證平台
           
            (a)                                      (b)

        圖C. 1.5-bit SDM與1-bit SDM 比較, (a) 精準度 (b) 切換次數

            本實驗室之D類音頻放大器調變技術目前已申請通過美國以及台灣專利(Taiwan Patent I315644, United State Patent 0111624 A1),也於2004年獲得國家發明創作獎銀牌,並於2005年產學合作計畫中,以IP的型式做技術轉移(圖D. 廠商提供之IC驗證雛形)。


        圖D. 產學合作之IC驗證雛形

         

         


         

        研究專題2 –低頻切換之高效率馬達驅控器

         

             電力之使用於先進國家中佔總能源消耗之40% 且逐年升高,而其中約有50% 之普通用電量消耗於馬達驅動,於工業用電中更高達70%。因此改善馬達驅動效率可有效降低能源使用量,達到居家/工業節能之效果,且由於馬達使用成本之97%為電費,因此發展一個低損耗驅控策略可大幅降低其運作成本,除了居家/工業之應用外,近年來由於油價節節攀高,因此純電驅動之電動車未來發展將倍受矚目,而其中電動車之動力來源即為馬達牽引帶動,因此其驅動效率將影響電動車續航力以及電池使用壽命。改善馬達驅動效率可朝硬體設計或軟體改良兩個方向進行,而考量成本與時間之條件,本實驗室以軟體改良為主要方向。

            考量近年來功率開關之發展,許多馬達驅動電路皆採用高速切換之功率開關,以提升驅動之響應精準度,然而此趨勢造成功率開關的切換損失主導了馬達驅控系統之耗能以及功率效益,而改善此系統之功率效益最直接的方法為降低功率級之切換次數,本實驗室針對降低馬達驅動之功率級切換頻率發展一多維量化回授調變器,與傳統方法不同之處在於採用回授控制的方法,因此可以改善驅控精準度(圖E與圖F分別顯示兩調變器架構圖),本實驗室也建構三相電壓源反向器(圖G.)與三相馬達驅控(圖H.)驗證平台,由實驗結果可知(圖I和圖J),本實驗室所提之方法切換次數較低,且頻譜圖顯示兩者諧波失真相當。


        圖E. 本實驗室所發展之馬達驅動調變器架構


        圖F. 傳統空間向量脈波寬度調變器


        圖G. 三相電壓源反向器驗證平台                        圖H. 三相馬達驅控驗證平台                 


        圖G. 本實驗室所發展之馬達驅動調變器響應結果


        圖H. 傳統空間向量脈波寬度調變器響應結果

         

            本實驗室發展之量化回授馬達驅動調變器目前已申請通過美國、韓國、台灣、日本以及大陸專利

         

         


         

         

        研究專題3 –多相電壓源反向器調變法則

         

            目前許多研究顯示採用多相直交流轉換系統驅動多相馬達可降低力矩波動,並且改善運作中元件損壞之容忍度(fault tolerance),因此近年來被應用於電動車與船之牽引推進動力系統等,以提供穩定之力矩。除此之外,也有文獻利用多相變頻器系統之額外自由度,達到以單一反相器同時驅動兩個多相馬達,且此兩電動機之運作互不受影響,抑或將此額外自由度應用於集中式繞組之馬達,以提升其輸出力矩,也有文獻以降低切換損失為出發點,將自由度應用於避免高電流反向臂之狀態切換,以達到較低的切換損失。而近期多相電動機更被應用於風力發電系統,提供滿載發電時之運作。

            一個好的切換策略是享有多相變頻器優點之必備條件,然而若依據三相空間向量脈波寬度調變法做多相切換策略之擴充,則會遭遇到分析困難與無法及時運算之問題。

            本實驗室採用數學分析方法,將切換策略之抉擇轉換為線性方程式,並分析矩陣之特徵向量/特徵值,以便將其對角化,因此得到只需加法器與比較器,且可即時運算之多相調變器,其驗證平台如圖I,為一採用FPGA驗證驅動之五相電壓源反向器電路,其量測結果如圖J,如預期可產生五相之負載電流。

            本實驗室發展之多相馬達驅動調變器目前已申請通過美國、韓國、台灣、日本以及大陸專利

         


        圖I. 多相電壓源反向器驗證平台


        圖J. 多相電壓源反相器驗證波形 I


        圖k. 多相電壓源反相器驗證波形 II