改良轉子位置估測之永磁同步馬達直接轉矩控制

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研究生：	鍾嘉倫 Chia-Lun Chung
論文名稱：	改良轉子位置估測之永磁同步馬達直接轉矩控制 Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motor with Improved Rotor Position Estimation
指導教授：	徐國鎧
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	資訊電機學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2020
畢業學年度：	108
語文別：	中文
論文頁數：	81
中文關鍵詞：	永磁同步馬達、最小平方法、空間向量脈波寬度調變、直接轉矩控制
外文關鍵詞：	Permanent magnet synchronous motor, least square method, space vector pulse width modulation, direct torque control
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本論文提出了使用低解析度的霍爾感測器，改良轉子位置估測方法
並應用於永磁同步馬達(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)控
制。霍爾感測器只能偵測馬達換相時的轉子角度位置，在其它位置則藉
由估測來獲得。但是由於其本身低解析度的特性，加上安裝誤差導致不
對稱偏移，造成在位置估測上造成誤差，無法得到準確的轉子位置，使
得系統不穩定。
為了解決霍爾感測器低解析度及位置偏差的問題，本論文利用霍爾
感測器的換相點來估測轉子位置，提出了使用最小平方法，來降低位置
誤差且達到和高解析度感測器一樣的效果。以此位置估測方法，應用於
一種結合空間向量脈波寬度調變(Space Vector Pluse Modulation , SVPWM)
和直接轉矩控制(Direct Torque Control, DTC)的方法來控制永磁同步馬
達。

This thesis proposes a low-resolution Hall sensor to improve the rotor position
estimation method and apply it to the Permanent Magnet Synchronous
Motor (PMSM) control. The Hall sensor can only obtain the angular position of
the rotor when the motor is commutated, and it can be obtained by estimation
at other times. Based on its low resolution characteristics, coupled with installation
errors, it leads to an asymmetric offset, resulting in errors are caused in
the position estimation, and the accurate rotor position cannot be obtained, making
the system unstable.
In order to solve the problem of low resolution and position deviation of
the Hall sensor, this article proposes to use the least square method and use the
commutation point of the Hall sensor to estimate the rotor position to reduce the
position error and achieve high resolution degree sensor like effect. In addition
to the position estimation method, a method combining Space Vector Pluse
Modulation (SVPWM) and Direct Torque Control (DTC) is also used to control
the motor.

摘要 ..................................................................................................................... I
ABSTRACT ...................................................................................................... II
誌謝 .................................................................................................................. III
目錄 .................................................................................................................. IV
圖目錄 .............................................................................................................. VI
表目錄 .............................................................................................................. IX
第一章 緒論 ................................................................................................... 1
1.1 研究動機與目的............................................................................... 1
1.2 大綱 ................................................................................................... 3
第二章 永磁同步馬達永磁數學模型 .......................................................... 4
2.1 同步與靜止座標系統轉換 .............................................................. 6
2.2 利用同步旋轉座標系統表式數學方程式 ...................................... 7
第三章 控制系統之硬體架構介紹 .............................................................. 9
3.1 前言 ................................................................................................... 9
3.2 電源模組電路 ................................................................................. 10
3.3 電流感測電路 ................................................................................. 12
3.4 微控制器及周邊電路 .................................................................... 13
3.5 功率開關及驅動電路 .................................................................... 14
第四章 最小平方法估測轉子位置 ............................................................ 15
4.1 霍爾感測器原理介紹 .................................................................... 15
4.1.1 霍爾感測器 ................................................................................. 15
4.1.2 霍爾感測器之機械誤差 ............................................................. 16
4.2 最小平方法原理............................................................................. 18
4.3 轉子位置估測方法......................................................................... 22
4.3.1 傳統速度及角度估測 ................................................................. 22
4.3.2 結合最小平方法之位置估測 ..................................................... 24
4.4 改良轉子位置估測方法 ................................................................ 26
第五章 馬達控制方法 ................................................................................ 28
5.1 向量控制原理 ................................................................................. 28
5.2 直接轉矩控制 ................................................................................. 32
5.2.1 直接轉矩控制概述 ..................................................................... 32
5.2.2 直接轉矩控制架構 ..................................................................... 33
5.2.3 磁通與轉矩之控制 ..................................................................... 36
5.3 改良型直接轉矩控制 .................................................................... 40
5.3.1 空間向量脈波寬度調變 ............................................................. 41
5.3.2 直接轉矩控制之漣波分析 ......................................................... 45
5.3.3 結合空間向量脈波寬度調變之直接轉矩控制 ......................... 46
5.3.4 本文系統架構 ............................................................................. 47
第六章 實驗結果......................................................................................... 48
6.1 本文研究之馬達介紹 .................................................................... 48
6.2 轉子位置估測實驗結果 ................................................................ 49
6.3 控制方法實驗結果......................................................................... 59
第七章 結論與未來展望 ............................................................................ 64
參考文獻 .......................................................................................................... 65
                                

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