國科會『工程科技通訊』研究成果報導

計畫名稱:應用平行處理技術於高性能交流感應伺服驅動系統之研究
計畫編號:NSC-83-0404-E-009-003
執行期限:82/07/01-83/08/31
主持人:鄒應嶼 副教授
研究人員:蔡明發、江麗華、武祥瑞
執行機構:國立交通大學 控制工程研究所

摘  要

本計畫研製完成一個以高性能平行處理器(IMS T800)為基礎的可組合式(reconfigurable)平行控制器, 此平行控制器由平行計算模組與輸出輸入模組所構成。平行計算模組內含四個平行處理器,輸出輸入 模組則由一個平行處理器與界面電路所構成,設計的平行計算模組具有並聯擴充的優點,所完成的平 行控制箱共有10個擴充槽,可根據應 用需要作不同的組合且可並聯擴充。本研究同時應用此平行控制 器完成了一個全數位適應控制交流感應伺服驅動系統,各控制機能包 含脈寬調變波形產生、電流 控制、磁場向量控制、弱磁控制、伺服控制、參數判別與適應控制等均以高階的平行控制語言OCCAM 將之實現,研究結果顯示適應控制確能有效的克服馬達參數與負載的變化。 本計畫所發展的平行控制軟硬體設計技術可進一步應用於發展高性能的適應與學習控制系統,而適應 控制交流驅動技術亦可應用於高性能CNC工具機主軸驅動系統。

一、簡 介

微電子技術近年來快速的發展,使得微處理器、數位信號處理器(DSP),乃至於平行處理器(Parallel Processor, PP)相繼被發展出來[1]- [3]。 微處理器與數位信號處理器雖然在計算速度上已有顯著的改善,但其多處理器的通訊界面則始終進展有限,也因此限制了多處理器平行擴充的功能, 為了克服這個問題,遂發展出平行處理器。此一進展,不僅使得電腦的核心CPU得以平行擴充, 也使得傳統的順序(sequential)計算方式得以擴展為平行的(parallel)計算方式[4]-[6],因此大幅的提升了計算機的效能。

隨著微電子技術的進展,近代控制技術也有了長足的進展,這其中包括了強韌控制理論的發展日趨完備,以及新興的模糊控制與類神經網路控制技術。 然而在此發展過程中,值得注意的是高等控制技術,在實際工業應用中心仍然進展有限。自1960年以來適應控制理論已有相當完備的發展[7]-[11], 諸如Model-Reference Adaptive Control、Self-Tuning Adaptive Control,在過去由於微處理器計算能力不足, 這類適應控制技術主要以迷你電腦為控制器並應用於反應較為遲緩的化工程序控制(process control)。但隨著DSP與PP的發展, 其計算能力已較傳統的單晶片微控器(如Intel 80C196)提高了10~100倍,且其性能仍在持續提升中, 因此如何應用適應控制技術來改善快速精密的伺服控制系統在未來的發展將日趨重要。

交流馬達是目前應用最廣泛的馬達,主要應用於產業自動化與 精密機械工業的有永磁式同步交流伺服馬達、感應交流伺服馬達、 泛用型交流變頻馬達與磁阻馬達等,然而要充份發揮這些交流馬達 的性能,就必須在高效率與快速動態響應的條件下達到精密的轉速 與定位控制,這就須藉由交流驅動器(AC DRIVE)來實現,因此 Adjustable Speed AC DRIVE也就成為自動化工業的關鍵組件。近年來由 於功率關鍵元件與微處理器技術的快速發展,使得交流感應馬達其 複雜的控制法則得以藉微處理器以全數位方法來實現[12]-[13],因此 在工業上的應用日漸增加,在品質上的要求也隨著精密工業的需求 而日漸嚴格。

然而無論從外迴路的伺服控制、磁場向量控制到內迴路的功率 換流器的電流控制,其性能都會受到馬達參數變化的影響,如定子 的電感、電阻和轉子的電感與電阻、機械負載的磨擦係數與轉動慣 量等。在實際情況下,這些參數均會變化而導致系統的惡化,甚至 不穩定,此外負載的變化如轉動慣量、粘性摩擦係數與機械動態特 性的變化等均會影響其系統性能。為了解決控制系統中參數變化與 負載波動的問題,乃有近代控制理論中適應控制法則的發展,然而 適應控制法則的演算亦甚繁複,包括系統判別、狀態變數之估計、 控制器參數的調整與計算等,為了要達到更精密與更快速的性能要 求,甚至需要更高的取樣頻率以及更長的CPU字元組長度來實現。
本計畫根據空間向量電壓控制、磁場向量解耦控制與適應控制 理論,設計製作一個以平行處理器為基礎的全數位適應性交流感應 伺服系統。平行處理器採用INMOS公司生產的傳輸電腦 (transputers)IMS T800 [3],因其不但具有高速度的計算能力,且具有信 息傳遞式的平行處理的能力,經由其內建的四個串列通信界面 (communication links),可以很方便地和其他的傳輸電腦連接成所需的 平行處理器架構,以處理複雜的計算問題。採用平行處理方式不僅 可快速精確計算出電流控制之向量、交流感應馬達轉子之感應磁場 向量,亦可解決在超高轉速控制中所需的高取樣頻率與適應型控制 法則中所面臨的高度複雜計算問題。

二、研究方法及成果

A、研究方法

本研究首先發展一個以平行處理器為基礎的可程式數位控制器,並設計相關之界面電路使其可適用於不同的馬達與運動控制系統, 其架構如圖1所示。此平行控制器並可應用於交流感應馬達的適應控制如圖2所示。其次我們以此硬體為基礎,發展出了應用於交流 感應馬達的適應控制技術。

在伺服控制器的設計方面,採行自調式適應性控制策略,其控制方塊圖如圖2所示,包含參數估測器、適應控制機制、伺服控制器、 負載抗矩補償器、磁場導向控制器、電流控制器、與脈寬調變控制器[14]-[18]。參數估測器的設計採用具有遞迴、即時特性的線上即時系統判別方法。 適應控制機制的設計將採用具有強韌特性的極點零點植根法,根據估測之受控體參數與滿足系統需求規格的迴路增益, 自動計算出具有強韌特性的補償器,並將之傳遞給伺服控制器,伺服控制器根據伺服命令與回授信號依照所設計之控制律產生修正命令。

B、研究成果

本計畫所發展出的平行數位控制器(Parallel Digital Controller, PDC),其硬體設計主要包含兩個部份:平行計算模組(Parallel Computing Module, PCM)與平行界面模組(Parallel Input/Output Module, IOM),設計完成的電路板如圖3所示。PCM採用INMOS公司製造的平 行處理晶片T800,此晶片為一32位元包含浮點運算之高速晶片,工 作頻率為20 MHz,且包含四個20 Mbits/sec的高速串聯式平行通訊界 面,單一晶片的計算速度可達10 MIPS與1.5 MFLOPS。本計畫所研製 的PCM內含四顆T800,如圖3(b)所示,PCM可並聯擴充。IOM內含一 顆T800,根據不同的I/O界面需求可設計不同的IOM模組,本計畫根 據電力電子與馬達控制應用領域設計了兩塊IOM如圖3(b)所示。所研 製的PDC控制箱可容納共10片的PCM與IOM,如圖4(a)所示,而控制 箱亦可並聯擴充,因此硬體上的擴充可說是不受限制的。本計畫以 所研製的PDC硬體為基礎發展出以交流感應伺服適應控制為對象的平 行控制技術,PDC的軟體控制主要包含三項功能:

  • 適應型電流控制迴路

  • 適應型解耦控制迴路

  • 適應型速度控制迴路

此PDC可應用於永磁式同步交流伺服馬達、感應式交流伺服馬達、泛 用型交流變頻馬達等之高性能變速與定位控制。此驅動器之解耦控 制方法採用數位式間接磁場向量控制法則,將定子電流分解為兩個 獨立控制的分量:磁場分量與扭矩分量。所有的控制功能例如脈寬 調變(PWM)訊號的產生、電流解耦控制、磁場向量控制、轉速估 測、弱磁控制、速度/位置控制等,均以高階平行控制語言OCCAM實 現。

三、系統特色

本計畫已完成一個以平行處理器IMS T800為基礎的平行控制系統,並設計具備交談式界面之監控軟體,建立一個良好的平行控制器發展環境, 且將其應用於高性能適應性交流感應伺服驅動系統之研究圖4(b)。實驗結果(圖5)顯示所研製的交流感應伺服驅動系統具備適應負載轉矩干擾與馬達參數變化的能力, 所發展的軟體電流控制方法,不僅提高了系統頻寬且降低輸出電流的總諧波失真。

所研製之交流伺服平行控制器具有下述特色:

  • 採用高性能平行處理器IMS T800以模組化的方式設計,軟硬體均具有平行擴充的功能。

  • 功率級設計採用智慧型功率模組(IPM),具有簡單可靠的優點。

  • 此交流感應伺服驅動系統具有適應型的電流控制迴路、耦控制迴路、與速度控制迴路。

  • 可應用於複雜且需快速計算的控制系統,如飛行控制、導彈控制、機器人控制、與高精密的定位控制系統等。

  • 高階平行控制語言,易受實現複雜的控制法則且與系統軟體的維護。

四、參考文獻

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