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考慮交互飽和之同步磁阻馬達電感量測

摘要"

本文考慮交互飽和之交直軸電感量測參考文獻[1]所提出之方法,受測馬達以原動機帶動之方式定速運轉,受測馬達定速運轉的同時給予特定之電流命令,交直軸電流回授達穩態時進行量測,該方法需要電流控制器控制電流,故量測前需估測受測馬達之電氣參數賦予電流控制器一初始增益值。本文電氣參數估測根據文獻[13]所提出之方法,以開迴路方式對直軸或交軸注入脈衝電壓,藉由其回授電流變化率與注入電壓之差值計算直效與交軸電感估測值。
本文使用瑞薩電子RX66T作為控制核心,以2.2kW/7N-m/3000rpm之同步磁阻馬達驗證本文提出的電氣參數估測方法與考慮交互飽和之交直軸電感量測。實驗結果顯示,交直軸磁交鏈在磁場交互飽和情況下較沒有磁場交互飽合時來得小,其結果同樣反應在交直軸電感值上。量測參數驗證分別將ABB提供之電感參數與量測之電感參數應用於電流控制器的參數設計,驗證結果顯示,電流控制器使用本文之交直軸電感參數值有較快速的響應表現。

關鍵詞:同步磁阻馬達、電氣參數、交互飽和

前言

所謂磁場交互飽和為馬達直軸或交軸磁場通過轉子時,直軸磁場受到交軸磁場影響與交軸磁場發生耦合現象,交軸磁場同樣受到直軸磁場影響與直軸磁場發生耦合現象,此現象使直軸或交軸電感之變因不單是直軸電流或交軸電流,而是直軸與交軸電流同時影響[3,5,6,7]。
電氣參數為設計馬達驅控系統時不可或缺的參數之一,例如:單位電流最大轉矩控制(Maximum Torque per Ampere, MTPA)、弱磁控制與無感測器控制等等都需要準確的馬達磁模型(Magnetic model)以獲得良好的驅動表現,磁模型為磁交鏈與對應電流之關係[1],藉由馬達磁模型得知馬達於不同工作電流下之電感值。馬達磁模型量測大致可分為兩種方法,分別是模擬分析法與實驗量測法,本文使用的方法屬於後者。
模擬分析法在文獻[3,6,8]中使用有限元素分析法分析馬達磁模型,此法雖然能夠較準確分析馬達於不同工作條件下之磁場特性,但分析過程較複雜,適用於已事先知道馬達幾何構造參數等等關於馬達之設計數據,且分析時間長需使用磁路分析軟體進行。
圖1為定速運轉量測法[1]實驗架構圖,其方法為受測馬達以原動機帶動之方式定速運轉,受測馬達定速運轉的同時給予直軸與交軸特定的電流命令進行電流控制,當交直軸電流回授達穩態時取樣其電流控制器之輸出計算交直軸磁交鏈,圖2為文獻[1]量測直軸與交軸磁交鏈之電流命令。此量測方法的問題在於電流控制器需要一初始增益值控制馬達交直軸工作電流,若沒有事先得知馬達電氣參數或針對電氣參數進行估測則無法對電流控制器設定其增益值,且當電流控制器之增益值設定錯誤時,將可能影響其電流控制效果,交直軸磁交鏈量測之準確性將會受影響,而文獻[1]所提出之交直軸磁交鏈量測之電流命令僅能夠量測第一象限之範圍,不足以建立完整的馬達磁模型。
有鑑於文獻[1]所提出之方法,另外三個象限之交直軸磁交鏈量測之電流命令,則利用第一象限交直軸磁交鏈量測之電流命令的概念另外推導得到,且參考文獻[12,13]所提出之馬達電氣參數估測方法,對此量測方法之電流控制器賦予一初始增益參數值,使其能夠控制交直軸工作電流,進而達到考慮交互飽和之直軸與交軸電感量測之目的。

考慮交互飽和之直軸與交軸電感電感量測方法
   
圖4為本文考慮交互飽和之直軸與交軸電感量測流程圖,從參考文獻[1-9]得知,量測馬達磁模型使用d、q軸同步參考座標系統作為參考座標系統是較為廣泛的應用且容易實現,流程圖中各步驟之編號標示
步驟順序,其說明如下:
步驟1:將受測之同步磁阻馬達與伺服原動機對接,對接前可先預設伺服原動機之轉速與輸出轉矩,本文預設伺服原動機轉速為300 rpm,輸出轉矩為100%輸出。
步驟2:對受測之同步磁阻馬達進行電氣參數估測,賦予馬達電流控制器初始增益值。
步驟3:啟動伺服原動機,待轉速穩定時給予受測之同步磁阻馬達直軸與交軸特定之電流命令。
步驟4:直軸及交軸電流回授達穩態時,判斷受測馬達之轉速是否為原先預設之轉速,其原因為此時受測馬達本身具有輸出轉矩,可能對其轉速造成影響;若馬達轉速達原先預設之轉速則執行步驟6,若馬達轉速不為設定之轉速則執行步驟5。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌
 

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