MAGAZINE
刊物內容

回列表

無位置感測器永磁同步馬達速度控制器設計及FPGA晶片實現

摘要"

本文主要以FPGA(現場可程式邏輯閘陣列)晶片實現無位置感測器永磁同步馬達之速度控制系統。在估測及控制技巧上,馬達於靜止狀態時採取I-f(電流-頻率)啟動策略,然後運轉至適當速度後改採取擴展式卡爾曼濾波器(EKF)為基礎的無感測器磁場導向控制法(Sensorless FOC)。前者I-f 啟動策略為簡易啟動方式,適合低速使用且不需初始位置及馬達參數估測;而後者擴展式卡爾曼濾波器適合於中高速的馬達位置估測與速度控制。因此,結合兩個方法,無位置感測器永磁同步馬達可以很平順且很準確的從靜止狀態運轉至高速狀態。本文內容,首先介紹永磁同步馬達之數學模式,導引I-f 啟動策略及說明應用擴展式卡爾曼濾波器之轉子位置估測演算法。接著介紹如何以VHDL (非常高速IC使用的硬體描述語言)來描述上述採用的估測器及控制器之行為模式。所設計的應用程式,將下載至FPGA晶片並結合一套實驗系統,以驗證所提無位置感測器永磁同步馬達速度控制系統之正確性與有效性。

關鍵詞:無感測速度控制器、永磁同步馬達、電流-頻率啟動策略、擴展式卡爾曼濾波器、現場可程式邏輯閘陣列

前言

節能減碳為目前全球發展的趨勢。因此,如何提高民生用品中馬達的運轉效率也成為非常重要的發展目標。永磁同步馬達由於具有結構簡單、高扭力、高效率、優異的電力密度、高性能的速度響應與精度、控制簡易及方便等優點,現為很多風(吊)扇、電動(機)車等之致動器。在速控應用方面,若永磁同步馬達加裝位置感測器-如霍爾感測器、以偵測馬達轉子位置及轉子速度,有利於磁場導向控制 (Field-oriented Control, FOC)、電流迴路及速度迴路之控制。然而位置感測器具有增加元件、增加成本、增大體積、降低可靠性及增加訊號干擾之缺點。因此,如何在無位置感測器下,交流馬達仍能達成磁場導向控制的效率,將是很重要的技術指標。故近年來,架構在無感測器磁場導向控制 (Sensorless FOC)下,多種無位置感測控制方法被提出[1-5]。
在無位置感測器下,馬達轉子位置估測及速度控制方法中,大至可分為具模式為基礎之方法及不具模式為基礎之方法。在具模式為基礎之方法中,常見的有反電動勢法(Back electromotive force、Back EMF)、滑動模式觀測器(Sliding mode observer, SMO) [1]及擴展式卡爾曼濾波器 (Extended Kalman filter, EKF) [2]。反電動勢法為最多被提出,但是此法在低速或靜止時具有不可觀察現象之缺點。至於滑動模式觀測器,具有較穩健之估測能力且計算簡單,也受青睞。不過,擴展式卡爾曼濾波器具有較佳的抗雜性能力及具有快速的收斂率特性,可提升速度控制之暫態響應性能。在具模式為基礎之方法中需要有啟動模式[3-4],驅使馬達從靜止狀態運轉至特定轉速。接著再將啟動模式轉換至無感測器磁場導向控制模式。此模式下,再應用上述具模式為基礎之無感測技術估測馬達之轉子位置與轉子速度以回饋給電流迴路進行磁場導向控制及回饋給速度迴路進行速度控制使用。在啟動策略中,常見有V/f (電壓/頻率)控制方式及I-f(電流/頻率)控制方式。在不具模式為基礎之方法中[5],常見的有高頻訊號注射法,高頻(數千Hz)訊號注射法適用於有凸極之內藏式永磁同步馬達或有飽合凸點之表面黏貼式永磁同步馬達。高頻訊號注入估測法不受馬達參數的影響,但是有噪音產生的問題。
隨著半導體製造之進步,各種性能優異之晶片不斷的被開發完成,如數位訊號處理器(DSP)晶片、現場可程式邏輯閘陣列(FPGA)晶片、微控制器(µC)晶片等。其中FPGA具有硬體可程式化、快速計算能力、快速時間推到市場、短的設計週期、嵌入式微處理器、低電力消耗及高密度容量,因此極適合數位系統之實現。FPGA提供一種介於特殊ASIC硬體與一般功能處理器之元件。因此,很多應用在工業上[6]。近年來,FPGA晶片可嵌入一顆NiosII核心處理器以形成SOPC設計環境,因此使用者發展之應用IP (Intellectual Property)及NiosII處理器可嵌入FPGA晶片內,以提供使用者進行軟硬體共同設計。
因此,本文將以FPGA晶片為基礎來發展無位置感測器永磁同步馬達之轉子位置估測及轉子速度控制技術,文章部分摘自參考資料[7]。整體控制器架構中,在電流迴路採取磁場導向控制;在轉子位置估測,於靜止或低轉速時採取I-f 啟動策略,而於一般轉速時採取具擴展式卡爾曼濾波器之估測法;在速度迴路採取PI。接著以FPGA晶片實現整體無位置感測器永磁同步馬達之估測及控制系統。...更多內容請見《機械新刊》雜誌

READ MORE BACK TO LIST