電動機控制與模擬

序言
馬達又稱為電動機，其應用非常廣泛，包括日常生活家庭電器產品如洗衣機、電冰箱、冷氣空調機、吸塵器、掃地機、電梯，還有工業應用產品如CNC工具機、工業用變頻器、工廠自動化生產設備、機器人、天吊車、起重機、動力計、鑽油井機器等均要使用馬達來驅動。此外，需藉由馬達來驅動的電動車輛也將成為交通工具的主流。
基於環保需求，行政院於2017年12月提出「空氣汙染防制行動方案」，提出數項與電動車相關的具體政策，包含在2018年起，將現行1萬輛公車全面更換為電動車、2030年新購公車、公務車全面電動化、2035年新售機車全面電動化、2040年新售汽車全面電動化。全球對空氣汙染的厭惡及減碳承諾已成為電動車成長的最大動力，於是電動車將變得跟智慧手機一樣潮！讓一切發生的背後，臺灣很關鍵。因為臺廠已占特斯拉(Tesla)電動車供應鏈的75%，除了關鍵零組件的供應如減速齒輪箱、電池管理線束、電池銅箔、傳動軸、車載鏡頭、觸控面板、LED 車燈、車端DC/DC轉換器、充電槍等以外，也正是實現自有品牌、本土自製車夢的機會。欲讓此美夢成真，馬達與其驅動控制是至為關鍵核心的技術，如何提高馬達驅動效率以達節能效果是重要的研究課題。
學習馬達的工作原理與驅動技術對電機與相關科系的大專學生是相當重要的，電動機控制領域以基本物理運動力學與工程數學為基礎，概括電路學、電機機械、自動控制與電力電子學等科目的應用，是一個整合性的課程。本書是作者二十餘年來在明新科技大學電機工程系任教電動機控制與實務課程，將教材與講義整理編撰而成。內容分為六個單元，包括第一單元「直流馬達」、第二單元「步進馬達」、第三單元「無刷直流馬達」、第四單元「永磁同步交流馬達」、第五單元「交流感應馬達」、第六單元「空間向量波寬調變」，還有附錄A「工程數學基礎」與附錄B「控制系統基本概念」以及附錄C「光碟片各單元PSIM模擬檔案」，以作為控制器設計的輔助說明。內容解說由淺入深，讓讀者易懂，前面五個單元介紹各種馬達的旋轉原理、數學模型及其轉移函數方塊圖，並利用 PSIM 模擬軟體工具建構各種馬達的相變數模型，以仿真一個實際的馬達連接至變頻器功率電晶體電路，以便於利用該模擬軟體進行馬達特性的模擬分析，各單元之PSIM模擬檔案說明如附錄C。
本書並在第四及第五單元分別說明交流永磁同步馬達及感應馬達的d-q模型暨其向量控制技術，使得其受控模型如同一個分激式的直流馬達，便於控制器設計。可藉由 d-q 模型設計電流控制器、轉速控制器與位置控制器，並以PSIM模擬軟體對馬達電流、轉速與位置響應的模擬分析與驗證。
本書可作為大專院校電機、電子、機械暨其相關科系所教授電動機控制的教材，可安排在大三下學期、大四或研究所選修，讓學生在電動機控制領域有整合性的了解，以融會貫通所學；亦可作為工程師與研究人員研發參考之用。筆者才疏學淺，於編撰本書若有疏漏及錯誤之處，尚祈見諒，並望各方前輩不吝指正。
　
蔡明發 謹識
明新科技大學 電機工程系

序言
馬達又稱為電動機，其應用非常廣泛，包括日常生活家庭電器產品如洗衣機、電冰箱、冷氣空調機、吸塵器、掃地機、電梯，還有工業應用產品如CNC工具機、工業用變頻器、工廠自動化生產設備、機器人、天吊車、起重機、動力計、鑽油井機器等均要使用馬達來驅動。此外，需藉由馬達來驅動的電動車輛也將成為交通工具的主流。
基於環保需求，行政院於2017年12月提出「空氣汙染防制行動方案」，提出數項與電動車相關的具體政策，包含在2018年起，將現行1萬輛公車全面更換為電動車、2030年新購公車、公務車全面電動化、2035年新售機車全面電動化...

Chapter 01 直流馬達
1.1 前言
1.2 直流馬達工作原理與數學模型
1.3 直流馬達建模與模擬分析
1.4 直流馬達PWM 控制
1.5 直流馬達閉迴路回授控制
習題一

Chapter 02 步進馬達
2.1 前言
2.2 步進馬達驅動原理
2.3 步進馬達之數學模型
2.4 步進馬達之模型建構與模擬驗證
習題二

Chapter 03 無刷直流馬達
3.1 前言
3.2 無刷直流馬達之工作原理
3.3 無刷直流馬達之數學模型
3.4 無刷直流馬達120 度驅動之模型建構與換相控制
3.5 無刷直流馬達180 度驅動之模型建構與換相控制
3.6 無刷直流馬達PWM 控制
3.7 無刷直流馬達電流控制器設計
3.8 無刷直流馬達轉速控制器設計
3.9 無刷直流馬達位置控制器設計
習題三

Chapter 04 永磁同步交流馬達
4.1 前言
4.2 永磁同步馬達之工作原理與數學模型
4.3 永磁同步馬達之PSIM 模擬模型建構與驗證
4.4 永磁同步馬達之正弦波寬調變(SPWM)方法
4.5 座標轉換
4.6 永磁同步馬達之d-q 模型
4.7 永磁同步馬達之向量控制
4.8 PWM 訊號死區時間的加入
4.9 伺服馬達與作為負載的動力計連結模擬驗證
4.10 永磁同步馬達轉速與電流FOC 數位控制
習題四

Chapter 05 交流感應馬達
5.1 前言
5.2 交流感應馬達原理
5.3 交流感應馬達數學模型
5.4 相變數模型建構與驗證
5.5 感應馬達之d-q 模型
5.6 感應馬達向量控制
5.7 感應馬達伺服控制
5.8 感應馬達轉速與電流FOC 數位控制
習題五

Chapter 06 空間向量波寬調變
6.1 前言
6.2 空間向量波寬調變原理
6.3 非對稱七段式切換調變方法
6.4 非對稱五段式切換調變方法
6.5 對稱性切換SVPWM
習題六

附錄
附錄A 工程數學基礎
附錄B 控制系統基本概念
附錄C 光碟片各單元PSIM 模擬檔案

參考文獻

Chapter 01 直流馬達
1.1 前言
1.2 直流馬達工作原理與數學模型
1.3 直流馬達建模與模擬分析
1.4 直流馬達PWM 控制
1.5 直流馬達閉迴路回授控制
習題一

Chapter 02 步進馬達
2.1 前言
2.2 步進馬達驅動原理
2.3 步進馬達之數學模型
2.4 步進馬達之模型建構與模擬驗證
習題二

Chapter 03 無刷直流馬達
3.1 前言
3.2 無刷直流馬達之工作原理
3.3 無刷直流馬達之數學模型
3.4 無刷直流馬達120 度驅動之模型建構與換相控制
3.5 無刷直流馬達180 度驅動之模型建構與換相控制
3.6 無刷直流馬達PWM 控制
3.7 無刷直流馬達電流控制器設計
3.8 ...