應用弱磁控制提高SPM馬達轉速極限
摘要：馬達為產業界廣泛使用的動力來源，例如汽車、自動化、機器手臂、紡織機等，其中又以永磁同步馬達(PMSM)的表面貼磁類型(SPM)有效率高、壽命長、體積小、速度可隨命令變動、控制單純的特性，是產業界在選擇旋轉電機時的最佳首選。本文使用市售的SPM馬達，搭配德州儀器DSP與Code Composer Studio進行馬達反電動勢確認，加入直軸(Id)電流進行弱磁控制，突破原本馬達的轉速極限，觀察運轉特性。此技術可使業界擁有自行確認馬達參數的能力，並且當應用需要有更高轉速或更廣運轉範圍的條件下，以此方式達成轉速目標，無須再另外選用其它規格的馬達，具有降低成本目的。
Abstract：Motor is the key power component in many industries, such as automobile, automated, and machine arm, and swing machine. Surface Permanent Magnet Synchronous motor (SPM) is one kind of permanent-magnet synchronous motor (PMSM) which have high efficiency, adjustable speed and controllable characteristic, therefore it become most famous motor. This article not only use SPM motor, Texas Instrument DSP, and code composer studio software to check motor parameter but also add weak field current (Id current) to increase speed limitation. This technique can let industry have ability to check motor performance. When their desire motor speed is higher than motor specification, weak field control method can achieve this target. It’s not necessary to choose another specification motor and attain cost down target.
關鍵詞：弱磁控制、表面式永磁同步馬達、轉速限制
Keywords：Weak field control, Surface permanent magnet synchronous motor, Speed limitation
前言
馬達是目前主要提供動力的機械部件，隨著環保意識的抬頭，效率高、運轉安靜且壽命長的永磁同步馬達PMSM成為馬達的主流。然而考量到成本與控制複雜度的因素，表面式永磁馬達SPM因其製程較簡單、控制邏輯相對單純就成為工業界愛用的馬達類型。
弱磁控制大多使用在內嵌式永磁馬達上來產生磁阻扭力，鮮少使用於表面式永磁馬達，然而對於業界而言，在低負載、高轉速的應用下，其實是浪費了馬達的性能。表面式永磁馬達SPM加入弱磁控制，可以突破原本馬達的轉速極限，減少輸送帶或電動門等應用環境的運作時間，達到減低工時的效果。
為了實際驗證弱磁控制施加在表面式永磁馬達SPM上可以提高馬達轉速極限的理論，選用市售Teknic M2310馬達為測試本體，搭配德州儀器(TI)的數位訊號處理器(digital signal processor, DSP, F28069M)及其開發電路版(DRV8301)，將設計的弱磁控制程式碼藉由Code composer studio軟體燒錄至DSP來運轉馬達。由DSP示波器提取轉速命令與馬達轉速訊號，逐步增加轉速命令，觀察轉速訊號的極限數值，以此數值來驗證Teknic M2310馬達的反電動勢是否與參數相同。逐步施加弱磁電流Id，對此馬達進行弱磁控制，紀錄馬達轉速變化，來驗證弱磁控制可使馬達突破轉速極限的理論。
應用弱磁控制提高SPM馬達轉速極限研究
本文分成三個部分，第一部分為馬達理論說明，介紹馬達相關的電磁理論與等效電路模型，說明最高轉速與反電動勢關係。及直交軸(dq)電流座標與輸入電壓馬達轉速關係圖，解釋弱磁電流對提高馬達轉速的幫助。第二部分為實驗設備與結果，說明實驗的馬達參數，德州儀器的DSP開發版以及Code composer studio軟體的功能，並實測操作電壓下的馬達最高轉速與加入弱磁電流後的馬達轉速變化，最後是實驗結果與理論比較分析，馬達反電動勢參數的標示數值與測試結果加上理論公式計算後的數值比較。
1.馬達理論
PMSM永磁同步馬達的反電動勢公式為式(1)，其中E為反電動勢，與轉速為正比關係；Wm為轉速；Ke為反電動勢常數，於馬達參數表上皆可查詢。由式(2)可見Ke為馬達的磁通量ψ與匝數N組成，磁通量ψ為磁動勢ℑ 與磁阻Rm的比值，如式(3)所示，當施加弱磁電流Id時，相當於在磁路上施加一個逆向的磁動勢，造成流出磁石的磁通量數值下降，進而降低反電動勢常數Ke。
圖1為馬達的等效電路圖，式(4)為其理論公式，Vs為輸入電壓、R為線電組、I為線電流、fe為馬達的電氣頻率、L為線電感。由圖可知當輸入電壓需大於馬達反電動勢，馬達電流才得以流入。當無載時，馬達電流I幾乎為0，電阻與電感壓降可忽略不計，此即為馬達的最高轉速，將式(4)省略電阻與電感項，再將式(1)代入得到式(5)，輸入電壓Vs為定值，馬達最高轉速Wm(max)即為Vs/Ke，代入馬達的電壓與反電動勢常數值，即可得到最高轉速。
當施加弱磁電流Id，降低反電動勢常數Ke，由式(5)可知此時馬達最高轉速Wm(max)1數值大於Wm(max)。無載時電流(Iq與Id)趨近於0，此時轉速最接近電壓極限橢圓圓心，轉速數值最大，與式(5)結果符合。再探討加入弱磁電流Id時，電流合成向量更進一步接近電壓極限橢圓圓心，轉速也因此提高，同樣與式(5)結果符合。至此理論推導已完成，下一階段為實際使用馬達與TI開發版搭配設計之弱磁控制程式，紀錄馬達轉速變化加以證明理論成立。
圖1 馬達等效電路圖
2.實驗設備與結果
取用市售的Teknic M2310馬達為測試用馬達，其馬達特性參數如表1所示，額定電流為4.8 A代表外部施加4.8 A時，磁石不會進入到永久退磁區域，因此施加的弱磁電流數值訂為0、0.5、1、1.5、2、2.5、3.0的7個數據，距離額定電流4.8 A尚有1.6倍的距離，確保馬達不會因此實驗退磁造成誤差。
整體實驗架構如圖2所示，右側為德州儀器DRV 8301開發版，搭配的DSP為C 2000系列的28069M，此型號DSP含有Sensor less功能，不用額外加入編碼器估測轉速，藉由Mini USB介面與電腦連結進行資料的燒錄與傳輸。將AC 110V轉換成DC 24 V的變壓器(紅框處)，24 V輸出直接接到開發版的輸入。Teknic M2310馬達(綠框處)，其三相UVW電源線接至開發版的電壓輸出，開發版量測電流與轉速來完成馬達的閉迴路控制。搭配電腦使用Code composer studio軟體，將設計的弱磁控制程式燒錄至DSP (F28069M)內，控制模式撰寫為閉迴路速度控制，輸入為Id電流與轉速命令；訊號輸出為轉速命令、馬達轉速估測、q電流訊號與d電流訊號，軟體介面如圖3所示。通電後設定500 rpm為初始轉速，提取轉速命令與馬達轉速估測訊號至DSP示波器中，觀察此兩訊號是否重合，若訊號重合則逐步增加轉速，直至訊號不重合現象發生，此時的轉速即為馬達最高轉速Wm(max)。
圖2 馬達實驗架構
圖3 CCS軟體介面與程式
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