高速電機弱磁控制策略與馬達輸出特性研究

作者:

張鈞傑、臧錫智、張家耀、田秋寶、林振志、周信宏

刊登日期:2022/06/28

摘要:高速永磁電機具有高功率密度、高響應、體積小等優點,近年來廣泛應用於電動載具與工業自動化製程設備,基於高速應用的需求,馬達驅動器採用弱磁控制與最大轉矩電流比方法來執行電機驅動控制功能。本文將說明高速電機驅動控制技術,討論電力電子技術、弱磁控制策略與相關馬達輸出特性。
Abstract:High-speed permanent-magnet motors have the advantages of high power density, high response, and small size. In recent years, they have been widely used in electric vehicles and industrial automation process equipment. Based on the needs of high-speed applications, the motor drive adopts the method of field-weakening control and maximum torque current ratio to control the motor. This article describes the high-speed motor drive control technology, discus power electronics, field-weakening control strategies, and related motor output characteristics.

關鍵詞:永磁馬達、馬達驅動、高速馬達
Keywords:PM motor, Motor drives, High speed electric motor

前言
現今電力已經成為主要的能量來源,而採用電力作為供應的馬達更是廣泛應用於各種工商業場合,乃至一般居家生活。永磁無刷馬達可用於自動化產業、汽車、機器人、船舶和飛機等多個領域,考量到體積與重量關係,大多數應用主要採用永磁無刷馬達,在稀土磁性材料進步的今日,永磁馬達不僅設計得更強大卻重量較低、轉動慣量較低,具有效率高、結構簡單且易於控制的特點。藉由變頻驅動的永磁馬達成為運動控制應用的可行選擇,尤其是高速電機的應用領域,如機器人技術、工具機、電動載具等。隨著電力電子技術的快速發展和成本下降,使得變頻驅動的高速電機已被廣泛用於各種工業中[1]。
無刷馬達應用在高速的應用場合中,電動載具作為主要需求,其趨勢發展被政府與產業列為重點發展項目[2]。電動載具包含的非常廣泛,包含公車、火車、高鐵,甚至是電動車,都是正在被開發或是已經開發完成的產品,其它像是船舶或電梯,也逐步開始使用永磁電機作為動力來源。馬達驅動器作為推動馬達進行運轉的上位控制器,以其電力來源,可分為兩大類,交流(AC)或直流(DC),若是可以連接上台電端,主要以交流電為主,在推動馬達運轉,需要進行交流轉直流,而後將直流變頻為交流電流,推動馬達變頻運轉。若是採用直流電源,如電池,則只需要將直流進行變頻,轉為交流電流供應馬達運轉,其電力轉換模組則較為簡單。
目前電動載具如公車與卡車,其使用永磁無刷馬達作為動力來源。馬達進行旋轉運動,藉由機構如減速機等,將轉速扭力進行轉換,而後採用輪子產生前進或後退等線性方向運動。作為大型交通工具,其能效的要求是較高的,若能源利用效率太差,當其數量增加之後,則會造成能源短缺或供應不足。另外,採用永磁無刷馬達作為大型交通工具的動力源,運作過程的舒適度與動態響應也將大幅度提升,以往引擎其加減速動態響應提高之後,振動噪音也伴隨而來,而採用永磁馬達將會降低此現象[3]。
之前所述的公車,主要是在地面上運作,電動載具如電梯,則是進行垂直線行運動;在現今大樓中,電梯已經成為不可缺少設備,在老年化的社會結構下,電梯或是不同樓層間的代步工具,已是未來發展之驅勢。電動車中,以BMW i3為例,使用功率125 kW,轉速高達11000 rpm的永磁無刷馬達,輸出扭力最大為250 Nm,使用電流530A[4][5]。
基於高轉速馬達的應用趨勢,本文以高速電機驅動技術作為討論主題,並分別論述其控制策略與輸出特性。
馬達數學方程式與動態特性
永磁馬達的轉子擺放磁鐵,如Chapman[6]敘述,定子弦波電流經過三相繞線架構,可以在馬達轉子上產生旋轉磁場,與轉子磁鐵磁場產生交互作用,如圖1所示。

圖1 轉子坐標與三相繞線示意圖

在高速運轉下,若驅動器切換頻率與馬達旋轉磁場頻率比,最小比要大於6,若為6,則其定子電流無法形成純弦波,會有高次諧波產生,如圖2所示。

圖2 高速電機之定子高次諧波電流波形
資料來源:中國水利水電出版社[7]   工研院機械所重製


永磁無刷馬達其轉子架構,分為表面貼與內藏式,如圖3所示,高速電機多為內藏式轉子。

圖3 永磁馬達轉子架構


因此,如Boldea&Nasar[8]文中所述,若要進行馬達位置控制,需要知道轉子角度資料,將轉子角度位置進行定義如圖4所示,轉子磁鐵南北極方向與定子水平方向夾角為轉子角度。

圖4 馬達轉子角度位置

 

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