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研究生: 許舜然
Shuen-Jan Hsu
論文名稱: 以人工智慧為基礎之感應馬達無感測器及轉子阻抗估測
Artificial Intelligence based Rotor Resistance and Speed Estimation in Speed-Sensorless Control of Induction Motor
指導教授: 姜嘉瑞
Chia-Jui Chiang
口試委員: 黃仲欽
none
陽毅平
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 174
中文關鍵詞: 感應馬達無速度感測器控制類神經網路模糊控制器
外文關鍵詞: Induction motor, Sensorless FOC, Artificial Neural Network, Fuzzy Logic Control
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  • 感應馬達之系統參數會隨操作環境的不同而產生參數漂移的現象。 在無速度感測器
    控制的相關研究中, 轉子電阻漂移多為溫度的改變、 低轉速的控制, 亦或是加入負載的
    情況尤為嚴重, 也因此參數的估測尤其受到重視。 主要原因在於轉子電阻的變化, 對於
    轉速及磁通估測值會造成很大的誤差, 進而使閉迴路控制性能降低。 因此在無感測器控
    制架構下, 控制系統對於估測器的仰賴程度相當高。
    以類神經網路 (Artifical Neural Network, ANN) 為基礎所發展之估測器因具有
    模擬人類大腦學習能力可做離線和線上即時估測參數, 且相較於一般估測器不需依賴模
    型參數來控制, 因此在無感測器控制議題上廣泛的被採用。 然而先前的文獻中, 以類神
    經網路為基礎之估測器多以離線的方式調整估測器, 而線上的估測器在低轉且加上負載
    的情況效果又不佳。 針對此問題, 本論文以類神經網路之小腦模型控制器 (Cerebellar
    Model Adaptive Controller, CMAC) 和適應線性元件 (Adaptive Linear Element,
    ADALINE) 為基礎, 發展出可以同時估測轉速和轉子電阻的複合型類神經網路 (Hy-
    brid Artifical Neural Network, HANN)。 此估測器藉由線上估測轉子電阻, 將參數
    回授到磁通估測器, 藉此改善在低轉和負載下磁通估測的誤差, 進而改善速度估測之效
    果。 本論文也以模糊控制器 (Fuzzy Controller) 和速度-積分控制器 (Proportional -
    Integral Controller, PI) 為基礎, 發展出一混和型模糊-速度積分控制器 (Fuzzy - PI
    controller) 來做為感應馬達的速度控制器, 結合模糊控制器和速度積分控制器的優點,
    來得到與傳統控制器相較下更為精準且靈活的控制器。


    The performance of sensorless control of induction motors (IMs) is dramat-
    ically affected by the variation of parameters such as rotor resistance especially
    at low speeds and heavy loads. A novel hybrid artificial neural network (HANN),
    including a cerebellar model adaptive controller (CMAC) and an adaptive linear
    element (ADALINE), is developed in this thesis to estimate the rotor resistance
    and the motor speed simultaneously. On the other hand, a self-tuning PI-type
    fuzzy logic controller (FLC) is used to achieve motor speed control based on the
    speed estimate. Experimental results show that the proposed sensorless speed con-
    trol strategy achieves accurate speed control even at low speed and under loaded
    conditions.

    摘要 I ABSTRACT II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 1 緒論 1 1.1 研究背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 實驗系統架構 8 2.1 硬體設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 驅控器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2 F28035控制晶片 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.3 旋轉扭力感測器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4 電源供應器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.5 感應馬達 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.6 資料擷取系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.7 自耦變壓器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 軟體設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Code Composer Studio, CCS . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 NI Labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3 感應馬達之模型建立 18 3.1 交流機簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2 感應馬達之 a-b-c 軸數學模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.3 座標軸轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4 座標軸轉換之分類及應用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.5 感應馬達之 q-d-0軸數學模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.6 感應機之電磁轉矩與運動方程式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.7 Clarke轉換與 Inverse Clarke 轉換 [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.8 Park轉換與 Inverse Park 轉換 [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4 控制器設計 50 4.1 向量控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2 感應馬達之無速度感測器直接向量控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2.1 磁通估測器 [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.2 速度估測器 [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 空間向量脈波寬度調變驅動 (SVPWM) [4] [3] . . . . . . . . . . . . . 67 4.3.1 三相變頻器之切換狀態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.3.2 合成向量與導通時間計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.3.3 六臂開關之PWM 切換時間 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4 純量控制 [1] [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 模糊控制理論 [5] [2] 79 5.1 模糊速度控制器之設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.1.1 模糊控制器之基本設計步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.2 模糊-比例積分速度控制器之設計 [14] . . . . . . . . . . . . . . 84 5.2 類神經網路 [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.3 適應性線性神經元之轉子電阻估測 (Adaptive Lineaer Neuron, ADA- LINE) [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.3.1 適應性線性神經元之原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.3.2 適應性線性神經元之轉子電阻估測 . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.4 小腦模型控制器 (cerebellar model articulation controller, CMAC) [16] [8] 99 5.4.1 小腦控制器架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.4.2 小腦模型控制器的運作流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.4.3 實體記憶體權重值修正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.4.4 小腦模型控制器之轉速估測與適應性線性元件之轉子電阻估測 . 105 5.4.5 複合型類神經網路之架構設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6 實驗結果 111 6.1 純量控制之實驗結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.1.1 開迴路及閉迴路速度控制之實驗數據 . . . . . . . . . . . . . . 112 6.2 向量控制之實驗結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.2.1 速度控制之實驗數據 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.2.2 估測器之實驗結果比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6.2.3 估測實驗結果之比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7 結論與未來展望 151 7.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.2 未來展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 參考文獻 152 附錄 A (符號定義說明) 157 附錄 B (感應馬達規格表) 159

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