伺服機電模組設計

摘要：隨著機械設備的種類眾多，具備變頻功能之機電模組設備便成為發展趨勢，同時，因稀土磁鐵材料的短缺，國際上開始發展磁鐵輔助同步磁阻馬達，本文討論其運作原理，並介紹轉子架構，亦列舉不同轉子型式設計，經過比較亦獲得一些結論，本文同時討論了伺服驅動器設計流程，分別論述了功率級設計需注意相關項目，從功率開關元件之挑選與反馳式轉換器磁性元件設計方法與流程，也說明馬達控制迴路相關重點，能夠提供業者未來開發相關伺服機電模組的依據。
Abstract：With the wide variety of mechanical equipment, electromechanical module equipment with variable frequency becomes popular. Due to the shortage of rare earth magnet materials, magnet-assisted synchronous reluctance motors have begun to be developed internationally. This article discusses its operating principle and introduces the rotor structure. By listing different rotor type designs, we obtain some conclusions, and also discuss the design process of the servo drive. It includes power stage design, from the selection of power switching components and the design of magnetic components of flyback converters. The method and process also illustrate the key points of the motor control circuit, which can provide the basis for the industry to develop related servo electromechanical modules in the future.

關鍵詞：同步磁阻馬達、伺服驅動器、馬達控制
Keywords：Synchronous reluctance motor, Servo drive, Motor control

前言
工業耗能占我國總耗能50%以上[1]，因此，降低工業耗能為目前節能減碳重點項目。而在工業應用中，馬達為主要電器設備動力來源，也是主要耗能的關鍵零組件，占全球總用電量46%，應用範園涵蓋水力應用的泵浦，風力應用之壓縮機，與風機等不同產品領域，使用高效率馬達替換效率較低之馬達有3%以上之節能空間。
目前市場上使用數量最多的馬達為三相定頻感應馬達，因為只要連接三相市電即可運轉，不需額外控制元件，在不用精密轉速的應用領域，如家電之冷氣機，抽水馬達，工廠之排風扇等，都採用感應馬達。而在需要恆定轉速變動負載的情況下，如定轉速發電，則會見到交流同步馬達。隨著“強力磁鐵”材料被發現，越來越多的交流同步馬達逐漸被永磁無刷馬達取代。
早期馬達的應用領域多為定頻之系統，隨著產業機械與民生應用需求的變化，加裝變頻器控制馬達在輸出不同轉速的產業設備機械與民生家電就陸續出現。在此所稱之變頻器，主要是改變馬達輸出轉速，所以稱之為變頻器，在有些領域稱之為馬達驅動器。但是早期電力電子元件因半導體製程才開發不久，變頻器價格居高不下，今日的變頻器因為電力電子製程與微控制器技術日漸成熟，變頻器已經是相當普遍之零組件。
隨著工業設備性能規格需求的提昇，越來越多的設備廠商尋找可提供馬達與馬達驅動器整體解決方案之供應商。馬達與馬達驅動器逐漸被視為一體，因此，以伺服機電模組稱呼馬達與馬達驅動器所組成之子系統。
伺服機電模組架構
整體機電系統如圖1，其中包含機械結構與相關機構，馬達，馬達驅動器，控制器，相關感測元件[2]。伺服機電模組包含馬達與馬達驅動器。馬達驅動器包含電力轉換器，控制單元，感測元件。而馬達外部會裝置速度或位置感測器[3]。

圖1 機電系統

PWM訊號主要為脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)，其主要用來調整開關元件之導通時間，控制迴路整體說明如下，馬達驅動器根據馬達位置感測器，與控制器送出之馬達位置進行比較，計算出所需之轉矩命令，並偵測馬達電流訊號，與轉矩命令進行比對計算，調整PWM輸出至開關元件，完成控制迴路。接下來，會個別說明馬達與驅動器之相關技術與發展。首先，從馬達開始說明。關於馬達部分，會以同步磁阻馬達為主體敘述相關原理與其他馬達之差異。
磁鐵輔助同步磁阻馬達原理架構
現今電機機械的種類相當多[4]，分別為馬達與發電機兩大項，本文主要討論應用在工業設備上之馬達，從1830年至今，馬達的種類主要為三大項，直流有刷，感應馬達，同步馬達等。同步馬達因馬達驅動器之性能提升，在變頻應用領域方面，其整體使用量逐年提升，若以功率體積等概念來看，永磁無刷馬達最適合用來進行工業設備變頻使用，除永磁馬達外，其他同步馬達之進展陸續應用在不同領域，近年來磁阻馬達在技術上也有相當程度發展，同步磁阻馬達(SynRM)系列產品，國際大廠ABB也在近10年推動以SynRM作為公司主要發展方向，同時國際各家廠商近年來主要在SynRM架構下進行相關不同之最佳化，與之前發展方向不同，不加入稀土材料釹鐵硼(RdFeB)，有的以加入鐵氧體，提高原先SynRM馬達性能，進而發展出磁鐵輔助型同步磁阻馬達(Permanent Magnet-assisted Synchronous Reluctance Motor, PMaSynRM)，接下來本文將探討磁鐵輔助型同步磁阻馬達。