單晶片微電腦數位式交流感應伺服驅動器之研製

研究生:楊再傑    指導教授:鄒應嶼 博士

電力電子與機電控制實驗室

國立交通大學   電機與控制工程研究所


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摘  要

本論文根據交流感應馬達之二軸理論、d-q 模式、和間接前授磁場向量控制法則成功地設計與製作出一原型之單晶片微電腦數位式 交流感應伺服驅動器。為節省浮點運算輔助器的額外硬體成本,所有系統的數學運算皆以整數運算完成。整個系統的硬體結構分為三部份 (1) 雙晶介面/控制板 (2) 脈寬調變換流器 (3) 鼠籠式交流感應馬達。雙晶介面/控制板採雙中央處理器的架構,一為介面單元,另一為控制 單元,中間以雙埠記憶體作為二功能單元之溝通橋樑。所有的控制法則與數學運算,如伺服控制器的計算、磁場向量控制、以及座標系間的 轉換等,都在以單晶片微電腦 80C196KB 為主的控制單元內完成。介面單元以序列通訊控制器 8044 為主,負責控制單元與遠端控制電腦 通訊。遠端控制電腦則提供人機介面,除了可對控制器之參數、取樣時間作調整外,並可記錄相關的資料,如馬達轉速、扭矩電流分量命令 、及電流命令,提供實驗與結果分析之工作環境。脈寬調變換流器乃指以斜波式脈寬調變及電流迴路控制的電壓源換流器。斜波式脈寬調變 可限定最高的切換頻率,掌握住所產生的高次諧波;此外電流迴路控制使得電壓源換流器有較寬的頻寬,且減少電流的漣波。透過這樣的硬體 架構使得本系統成為一個完整且精簡的交流感應伺服驅動器,藉助單晶片微電腦及強大的軟體功能對交流感應馬達進行速度與位置的伺服控制。 實驗結果顯示此單晶片微電腦數位式交流感應伺服驅動器有不錯的穩態和暫態結果。

ABSTRACT

The thesis presents the implementation of a prototype single-chip microcontroller-based AC induction servo drive. The control strategy of this drive is based on the two-axes theory, d-q model of the induction motor and indirect feedforware vector control method. The hardware of the system include three parts (1) Dual-Processor Control board (DPC) (2) Pulse-Width Mudlation inverter (PWM inverter) (3) squrrel-cage induction motor. DPC board has two functional units, one is control unit, the other is interface unit. Control unit uses Intel 16-bit single-chip microcontroller 80C196KB,and the interface unit uses 8-bit microcontroller 8044 as the central processing unit. All the mathmetic operations are operating in the control unit, and the duty of interface unit is to communicate with remote control PC. Thus, the position and speed servo control of the induction motor can be controlled by remote control PC based on module programs. Note that for saving hardware cost and decreasing the delay-time of computations, the fixed-point arithmetics is used for all the mathmetic operations in our system. Experimental results show the superiority of the proposed single-chip microcontroller-based AC induction servo drive.