直流无刷马达及其驱动控制

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1、直流無刷馬達及其驅動控制(BrushlessDCMotorandItsDrivingControl)廖聰明清華大學電機系(94.07)1I.ClassificationofPMSMsnSurface-mountedPMSM(SPMSM)nInteriorSPMSM(IPMSM)xPermanentmagnetrotorwithmagneticsaliency.xAdvantages:˙Highpowerdensity.˙Excellentaccelerationability.˙Lowoperating

2、noise.˙Highreliability.˙Suitableforhighspeedoperationduetorigidrotorstructure.xLimitations:˙Existenceofcoggingtorque.˙Nonlinearinductancecharacteristic.˙Highercost.21不同馬達應用於空調機之性能比較：n四種馬達：IM,SynRM,SPMSM,IPMSMn比較之性能：Coggingtorque、轉矩特性、效率及損失、成本。n(i)齒隙轉矩(Co

3、ggingtorque)：IPMSM與SPMSM具有Coggingtorque，其中IPMSM較大，因其具有凸極效應(Saliency)，在壓縮機負載之應用上，應具有效小之Coggingtorque，因需具有低噪音及低振動特性;(ii)馬達效率及損失：IPMSM之效率最高，因其除具永磁轉矩外，尚具有磁阻轉矩，其所需之定子電流最小，而具有最小之銅損。SPMSM無磁阻轉矩，其銅損增大。另外，因外包鋼膜上之感生渦流所造成之鐵損，以及較大之氣隙，使其效率稍低。而SynRM因無永磁轉矩，全靠磁阻轉矩而效率較低，但

4、仍比IM高約2~3%；(iii)成本：以SynRM為1.0當比較對象，IM、IPMSM、SPMSM分別為其之1.13、1.42、1.5倍。由上之比較可知，欲得高性能高效率之空調運轉操控特性，可選用IPMSM，而如欲得最低成本者，可選用SynRM，只是效率較低，但仍比IM高些。3u磁凸極對線圈電感之影響:由於IPM轉子具有永久磁石及凸極效應，且磁石之導磁係數遠小於鐵心之導磁係數()mmRc，使得IPM之q軸電感不等於d軸電感()Lq>Ld。電樞電感值為轉子位置()qr之非線性函數，且此電

5、感值亦與激磁頻率和激磁電流之準位有相當之關聯。線圈電感與轉子位置之關係：'aoqr=0Sw,qNrrq-axisas-axisSNiaa4Windinginductance2u外加激磁下d軸阻抗之變化:x利用磁飽合效應從事轉子磁極位置之偵測。x原理：當飽合程度增加時，Ld下降，則在一樣之外加電壓下所造成之電流將增加，在圖(a)中，線圈造成之磁通與磁鐵之磁通為相同方向，線圈磁通與磁鐵磁通具相加成之作用，此時變Ld小(飽合)；而圖(b)中，線圈磁通與磁鐵磁通方向相反，有相互低消之作用，此時L變d大。據此，我

6、們可以判別出磁極位罝。'a'affcoilfcoilcoilfcoilfmSNSNfmffmNSNSmiaaiaa5(a)(b)u利用磁飽合效應從事轉子磁極極性之判斷及位置偵測x在線圈兩端外加一短脈寬之脈波電壓信號，由量測之電流從事轉子位置估測及磁極極性之判斷。vi(qr)vi(q)rL(qr)e=0x在三相線圈注入高頻諧波電壓(電流)，由量測之電流(電壓)信號從事轉子位置估測及磁極極性之判斷。63u轉矩產生特性及換向調控n同步磁阻馬達(SynRM):F=0Þfo最大轉矩產生角發生在:bmax=qr,m

7、ax=45n表面貼磁式直流無刷馬達(SPMSM):Ff¹0,L-L=0Þb=q=0odqmaxr,maxnIPMSM直流無刷馬達:oo、Ff¹0,Ld-Lq¹0Þbmax=qr,max=0~45222-1Ff+32L1Ia-FfDLq-Ldbmax=sin,L1=8L1Ia27最佳b角對轉速之概略關係n實際上，與b速度、負載、馬達參數等均有關。maxnb角之調控：須特別研究的課題為採用合適之方法及合適之性能評估指標(Performanceindex)來做換向調控以達到較佳之操控性能。o20b(shift

8、)0orpm30006000900084激磁調控n對IPMSM而言，由於L¹L，所以若要產生最佳dq轉矩或最大之TPI(Torquepercurrent)，不令i=0d2FfFf2nwr£額定速度：id=-2+iq2(Lq-Ld)4(Lq-Ld)F1(V)2w額定速度：i=-f+m-L2i2nr>dqqLdLd(P)2w2r2用以行弱磁控制9uSensorlessBDCMusingIPMSMVoltage-sourceinverteria+