以动态撷取之高频电流涟波成份计算直流马达转速方法-建国科技大学.PDF

以動態擷取之高頻電流漣波成份計算直流馬達轉速方法建立 紀捷聰 建國科技大學 電機系 摘要 直流有刷馬達(以下簡稱直流馬達)已經被廣泛應用在許多工業及民生用途之設備中。在 許多直流馬達應用場合，常常會因為控制或保護的目的而必須動態直流馬達轉子的轉速訊 息。為了及時獲得直流馬達的轉速訊息，傳統的作法大都是根據實際需求的轉速訊息精度與 設備的機構組成而選擇適當的轉速感測器直接與馬達轉子耦合或採取非接觸感應的方式偵 測，如此必然會使設備組成複雜化，尤其對於不適合安裝感測器的地點或設備，此法即不適 用。而且在負載動態調節時使用轉速感測器之方法常會使測量時間變長。電流變量是直流馬 達少數重要的獨立變數之一，它包含了許多直流馬達動態行為變化的重要信息。本文即基於 直流馬達的換向原理而提出一種可直接透過對直流馬達電流輸出之高頻成份信號而計算得到 直流馬達轉子動態轉速的方法。若與傳統利用在直流馬達直接耦合轉速感測器方法相比，本 文所提出之轉速量測方法具有簡單、成本低、不受安裝空間限制、轉速量測解度與直流馬達 本身結構組成直接相關等優點。最後，本文將 以國產電動噴霧機幫浦驅動直流馬達作為實體 量測目標，同時以實體轉速感測器量測及由電流高頻漣波訊號分別得到直流馬達的轉速訊 息，然後比較兩種不同方法的測量結果進行比較，以作為驗證本文所提方法可行性評估標準。 關鍵字: 直流馬達，轉速感測器，電流漣波，電動噴霧機。 一、前言 直流馬達因為便宜而且控制容易的優點，所以已經是一種使用量相當多，用途相當廣氾 的電機元件之一。在許多設備或裝置中，常因為設備機械作動需要而必須加入直流馬達以提 供設備負載以進行直線或旋轉運動所需之動力來源；另外，有部份設計提供精密動作的設備， 其控制器必須構成閉回路控制架構方足以使設備達到所要的控制需求，其中，在控制器中主 要被控制參數不外乎就是直流馬達電流、轉速或位置等參數了。 直流馬達是一種將電能轉換為機械能的電機裝置或元件，它在許多應用場合常被要求輸 出具有一定大小的機械能以供應機械負載運動所需之動能。為達成準確控制直流馬達驅動之 機械負載運動之目的，不論是直線或旋轉運動，系統控制器時常必須動態擷取直流馬達的轉 速或電流信號，使系統控制器形成閉回路控制架構。除此之外，一般在電機性能測試過程(包 括型式檢驗與出廠檢驗) 中，直流馬達在不同負載下的轉速特性也是非常重要的電機特性，如 何快速、準確地測量各類電機的轉速特性歷來都是電機測量方法或者是電機測試系統所關心 的重要問題和評價的重要指標之一。在常規的測試方法中，直流馬達轉速測量都是通過各種 轉速感測器完成的，轉速感測器將直流馬達的轉速信號轉化成為對應的電信號，然後通過各 種數位化測量方法進行測量，這種測量方法屬於直接法；如果感測器與數位化測試方法匹配 良好的話，可以達到比較高的精度。但是，為了能動態擷取到直流馬達的轉速信號而必須在 設備上直接裝置不同精度、尺寸、構造之感測器以量測其轉速信號，可預期的將會發生底下 幾項缺點[1-3]: (1) 當設備加入轉速感測器後，必然會增加待測設備的機構複雜度，而且製造也會成本 增加，有部份測試場合將會因為組裝和拆卸轉速感測器而嚴重影響測試效率； (2) 待測設備可能因為沒有足夠的空間或原本既未預留感測器的裝置空間，直接量測法 將無法使用； (3) 對於許多直流馬達或其應用設備生產工廠，為降低產品生產及量測所時間，以提升 產品的生產速度，降低產品的生產成本。若是採取裝置轉速感測器測量轉速之方法，勢必會 使產品在測量過程中因為負載動態調節需要較長測量時間，產品生產速度也會因此下降。 直流馬達的輸入電流是其重要獨立變數之一，許多的直流馬達的動作特性或相依變數都 可以利用它來求得。因為直流馬達的特殊結構組成，無論是直流馬達單體或是被組裝應用在 設備之中，只要透過直流馬達的輸入電流波形分析，不僅可以獲悉直觀的直流馬達電流，同 時亦可獲得它的轉速訊息。直流馬達的電流變數常是系統控制器都會擷取的變數之一，故在 直流馬達控制