電動機原理與控制:學習地圖

Principle and Control of Electric Machinery: A Learning Roadmap

鄒應嶼 台灣新竹 交通大學 電力電子系統與晶片實驗室   201096

前言

電機(Electrical Machines)包含發電機與電動機, 一般電動機亦簡稱馬達(motor)。電動機廣泛應用於各種工業、民生、運輸與資訊設備,例如工業機器人、半導體製成設備、電路板元件自動組裝設備、電梯、冷氣機、電動機車、電動汽車、影像掃描器、雷射印表機、光碟機等等。馬達是進步社會不可或缺的基本元件,由於廣大的市場需求,各式各樣的馬達設計、製造與控制技術,正處於快速發展與應用時期。近年來由於電力電子(Power Electronics)、微電子技術(DSP, FPGA, ARM, Mixed-Signal IC Design, Programmable Analog/Digital Devices)、與網路控制技術的進步,使得電動機控制驅動技術呈現了快速的發展,而電動車、家用機器人、無人機的廣泛應用,不僅在產業上帶動技術的發展,技術整合方面更將促成電力驅動技術的半導體化製造技術。無論電動車、家用機器人、或是無人機等產品,其使用時間都是一個重要的關鍵指標,其核心關鍵元件就是由電池、馬達、與電力轉換器所形成的電源管理與控制系統。本課程介紹電動機控制的基本原理與設計實務。

簡介

本課程介紹電動機控制的基本原理、功率放大器、與控制方法,著重於無刷直流馬達的原理與驅動控制實現方法的介紹。課程內容強調基本原理、控制方法與實務應用的結合,使用電腦模擬軟體Matlab/Simulink進行電動機的特性分析與控制模擬。課程並包含馬達控制驅動IC與新型數位馬達控制方法的論文導讀。

課程大綱

1. 電動機控制簡介

2. 電動機控制的理論基礎

3. 直流馬達的原理、特性、與驅動控制技術

4. Simulink Simulation for DC Motor Control

5. 無刷直流馬達的驅動控制

6. 無刷直流馬達的無感測驅動控制

7. 交流驅動(AC Drive)系統簡介

8. 永磁同步馬達的原理、特性、與驅動控制

9. 脈寬調變技術∼Space Vector PWM

10. dq模型與磁場導向控制(FOC)技術

11. 永磁同步馬達的磁場導向控制

12. 永磁同步馬達的無感測驅動控制

13. 交流感應馬達的原理與特性

14. 交流感應馬達的無感測驅動控制技術

15. 變頻器設計與實務

16. 交流伺服控制技術與驅動器設計

17. 先進馬達控制微處理器的發展

核心觀念

·     電力驅動(electrical drive)是未來的主流,馬達是電力驅動的核心。

·     電力驅動 = 馬達 + 電力電子 + 自動控制

·     馬達耗能約佔總體電力能源的55%

·     高效率電力驅動是節能的關鍵!

·     永磁直流馬達 (PM DC motor)是學習馬達控制的基礎

·     瞭解馬達扭矩產生的原理,是瞭解馬達特性的關鍵!

·     高性能扭矩控制是高性能馬達控制的關鍵!

·     實現高性能的馬達控制必須瞭解高性能的single-chip DSP controller.

·     低功耗嵌入式系統(embedded system)可應用於整合智慧型馬達控制。

·     馬達控制是一種專業,個人必須長期投入方見成效!

·     馬達驅動是一種事業,公司必須長期投入方見成效!

課程講義

Introduction to Motor Control, 鄒應嶼 教授, 國立交通大學 電機與控制工程研究所, 2012.

教課書

Ned Mohan, Advanced Electric Drives: Analysis, Control and Modeling Using Simulink, MNPERE, Oct. 2000.

Samples of Course Note, Ned Mohan, 2001.

延伸閱讀

基礎讀物:踏入電動機控制的第一步

電動機控制領域包羅萬象,對初次接觸這個領域的學生或是工程師而言,往往不得其門而入, 在獨自研讀摸索的過程中倍感艱辛。如果您有類似的感覺,建議您先從簡單且基本的地方著手,以下介紹幾本書, 希望能開啟您踏入電動機控制的第一扇門!

Edited by B. C. Kuo and J. Tal, DC Motors and Control Systems, 開發圖書有限公司,1978.

Electro-Craft Corporation, DC Motors, Speed Controls, Servo Systems, including Optical Encoders, An Engineering Handbook, Electro-Craft Corporation, Hopkins, MN, Fourth Edition, 1980.

此書由飛船公司(Electro-Craft)出版,印至第四版,全書分為七章,並附有飛船公司生產之馬達型錄,可對照閱讀。對於從事馬達控制、伺服系統設計的初學者而言,是本實用且易於閱讀的參考書。本書雖然古老且已絕版,但撰寫簡潔易懂,對於缺乏相關基礎但從事馬達控制的工作者而言,是一本絕佳的入門書籍,極力推薦!有興趣的讀者仍可從網路購買。

此外,在電動機控制的過程中,回授控制理論的應用是不可或缺的,因此對『自動控制』一定要多下功夫。 郭宗儀教授(Benjamin C. Kuo)(中央研究院院士)撰寫的『Automatic Control Systems』是自動控制領域的經典教科書,應反覆閱讀,配合實務應用,相信能有深入的體會。

B. C. Kuo, Automatic Control Systems, Wiley; 8 Ed., Sept. 6, 2002.

馬達控制的學習規劃

 

參考文獻

[1]    Ned Mohan, Advanced Electric Drives: Analysis, Control and Modeling Using Simulink, MNPERE, Oct. 2000.

[2]    R. Krishnan, Electric Motor Drives: Modeling, Analysis, and Control, Prentice Hall, Feb. 2001.

[3]    P. C. Krause, O. Wasynczuk, and S. D. Sudhoff, Analysis of Electric Machinery and Drive Systems, IEEE Press and Wiley Inter-Science, 2002.

 


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