感應馬達最大化加速度、最佳化效率與全數位控制之研究

摘要：工具機主軸馬達大多以感應馬達為主，其控制方法有純量控制與向量控制，純量控制方法就是俗稱的V/F控制，V/F控制大多操控在開迴路系統，特色是方法簡單，但是會有多餘的能量損耗、無法控制電磁轉矩與磁通大小等問題；向量控制則是相反，此方法可以將馬達三相座標系統，藉由空間座標轉換，將複雜的三相座標系統，轉換至d、q軸旋轉座標系統，進而可以將複雜且耦合的電磁轉矩與磁通解耦合，達到獨立控制的目的。然而就算使用向量控制來控制感應馬達，不同的d、q軸電流命令，仍然會有不同的影響產生，q軸電流命令可以由速度迴路計算得知，d軸命令則是使用者自訂，因此本文提出如何選定適當的d軸電流命令，使感應馬達可以得到最佳化效率及最大加速度。在全數位控制中，EtherCAT為目前所較流行的數位通訊，本研究亦說明如何將EtherCAT如何整合入整體控制。

Abstract: Induction motors are usually applied for driving the spindle in a machine tool. The control of induction motor can be categorized into scalar control and vector control. The scalar control method is commonly known as the V/F control. The V/F control is an open-loop system which is simple to apply, but could have extra energy loss due to the incapability of controlling the electromagnetic torque and flux. Vector control is different from the scalar control in that it uses the Park and Clarke transform to turn the complex three-phase coordinate system into the d-q axis coordinate system. The d-q transform technique can decouple electromagnetic torque and flux and thus achieve independent control. However, even using the vector control method to control the induction motor could have quite different results if the different d axis current command is selected. Here the q axis current command is generated from the velocity loop and d axis current command is user-defined. Therefore, this paper proposes how to set the appropriate d-axis current command so that the induction motor can get better efficiency and maximum acceleration. In digital control, the EtherCAT is popular for digital communication. In this research, we will explain how to integrate EtherCAT in the driver system.

關鍵詞：感應馬達、向量控制、效率最佳化

Keywords：Induction Motor, Vector Control, Efficiency Optimization

前言
在工業界中，交流馬達常被應用來驅動各種負載系統，並廣泛的應用在各領域，例如：工具機、自動化工業、電動車等，而交流馬達又可分為永磁同步馬達（permanent magnet synchronous motor, PMSM）及感應馬達（ac induction motors, ACIM）兩種，感應馬達因為價格相對比永磁同步馬達便宜，此外還有不需要永久磁鐵、結構簡單、低維修率與高轉速時扭矩相對比永磁同步馬達高等優點，因此在許多工具機主軸馬達得選用上，大多採用感應馬達來驅動且數位控制為未來趨勢，簡易的配線，控制與資訊整合容易，成為未來的主流。

（1）純量控制：感應馬達的控制可分為純量控制與向量控制，傳統的感應馬達控制方法大多採用純量控制，其原理就是馬達在定量磁通鏈的運轉下，利用脈波寬度調變（pulse width modulation, PWM）控制變頻器輸出的電壓大小，間接的控制馬達的轉速，簡單來說就是由變頻器以開路控制方式達成，因此純量控制非常簡單，缺點是啟動轉矩較小、容易有多餘的能量損耗，並且無法獨立控制力矩與磁通。

（2）向量控制：向量控制則是相反，其大多控制在閉迴路系統，利用座標轉換原理，將複雜的三相座標系統，轉換至兩相旋轉座標系統，所以其控制方法較為複雜，但由於向量控制可以獨立控制力矩與磁通大小，在工具機主軸馬達進行重負載切削的時候，可以有效的提高輸出力矩，因此用於工具機主軸馬達的控制大多採用向量控制。

（3）EtherCAT數位控制：EtherCAT中文名稱為「乙太網控制自動化技術」，CAT代表控制自動化技術（control automation technology），應用於自動化與工業控制領域。此技術採主（master）/從（slave）式架構並以乙太網（EtherNet）為基礎，經由標準的乙太網路連接方式與符合IEEE802.3標準的乙太網資料封包格式進行資料傳輸，主站（master）的主機控制器只需裝設標準乙太網路卡（network interface controller, NIC）即可運作，而從站（slave）之從屬設備則採專屬的硬體控制器晶片。其資料更新週期時間短、從站的微處理器不需處理封包，且可支援幾乎所有網路的拓撲。