交流電機控制與仿真技術：帶你掌握電動車與...

1.4　交流馬達驅動器全球市場概況
截至2023年全球交流電機驅動器（又稱作變頻器）的市場規模已達到235億美元，到2028年預測將達到287億美元，2023年至2028年的年複合成長率為6.1%[6]；而截至2022年，全球伺服電機與驅動器的市場規模已經達到122億美元，到2028年全球市場規模預測將達到162億美元，2023年至2028年的年複合成長率為4.7%[7]。若考慮使用交流驅動器的電動車市場規模，它將由2020年的960億美元，暴增到2030年的9900億美元與2040年的1兆9800億美元，已經遠勝千億美元的PC與手機產業。
愈來愈多的工業與民生需求是推動交流電機驅動器市場增長的主要因素之一。新興國家對高效電機與工業生產設備的需求正在增加，高鐵的發展也需要變頻器來控制電機、泵與風扇的速度，這也進一步促進了市場增長，對於製造業，變頻器也廣泛的運用在各種生產設備以提高生產率；對於電動車市場，交流馬達與交流電機驅動器更扮演了取代傳統內燃機的關鍵性角色，作為電動車動力的核心組件，可以預料交流電機驅動器又即將迎來市場新一波強勁的成長動能。
1.5　電機相較於傳統內燃機的優勢
目前電動汽車已經逐漸取代燃油汽車，此趨勢未來也將會加速進行，絕大部分電動車所使用的動力源主要為永磁同步電機與感應電機，其中永磁同步電機也須仰賴磁場導向控制方法才能夠被有效控制，而相較於傳統的內燃機，電機驅動有以下幾個優勢[7]：
• 效率：電動馬達的能源轉換效率通常要高於內燃機。內燃機的能源轉換效率通常在20%至40%之間，而電動馬達的效率可以高達90%甚至更高。這意味著電動馬達在將能源轉換為動力時，會產生更少的能量損失。
• 維護成本：電動馬達通常具有更簡單的機械結構，因此維護成本相對較低。內燃機需要定期更換機油、濾芯、火星塞等部件，而電動馬達則不需要這些維護項目。
• 環保：電動馬達不會產生廢氣排放，因此對環境影響較小。相比之下，內燃機會產生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等有害氣體，對環境和人類健康造成負面影響。
• 能源來源：電動馬達可以利用各種可再生能源（如太陽能、風能、水能等）進行充電，這有助於減少對化石燃料的依賴。而內燃機則依賴於石油等化石燃料，這些資源有限且價格波動較大。
• 噪音：電動馬達的運行噪音通常要低於內燃機，這使得它們在需要低噪音的場合（如住宅區、醫院等）更受歡迎。
• 性能：電動馬達具有良好的扭矩特性，可以在很低的轉速下提供高扭矩輸出。這使得電動馬達在起步、加速和爬坡等方面具有優越的性能。
• 控制性能：電動馬達可以透過調節電源頻率和電壓實現精確的控制，這使得電動馬達在速度、扭矩和位置控制方面具有優越的性能。與之相比，內燃機的控制性能通常較差，無法實現同樣精確的控制。
• 能量回收：電動馬達在制動時可以實現能量回收，即將動能轉換為電能重新儲存起來。這有助於提高能源利用效率，降低運行成本。內燃機則無法實現能量回收功能。
• 可調性：電動馬達可以通過簡單地改變電源輸入的參數來調整功率、轉速和轉矩。而內燃機的可調性通常較差，要實現相同的調整可能需要較為複雜的機械設計。
• 體積與重量：電動馬達通常具有較小的體積和重量（說明：即較大的功率密度），相對於其能輸出的功率而言。這使得電動馬達在需要輕巧和緊湊的應用場景中更具吸引力。
綜合以上所述，電動馬達相對於傳統內燃機具有諸多優勢，包括更高的效率、較低的維護成本、環保、多樣化的能源來源、低噪音、優越的性能、精確的控制性能、能量回收、可調性以及較小的體積和重量。
1.6　交流電機控制關鍵技術
到2023年為止，「磁場導向控制技術」已超過50年的歷史，時至今日，雖然國內如匯川、台達電等自動化大廠在變頻器產品已經深耕多年，並且其產品性價比也已經得到國內外市場的認可，但從筆者的經驗來說，若同時將國內與歐美日的指標廠商的產品作綜合比較後，可以歸納以下幾點：
1. 歐美日的交流電機驅動技術已由人工操作發展成為智能化控制技術，安裝後需要調整的控制參數相當少，並且擁有控制參數的自調適技術，相較於此，國內的變頻產品仍處於人工操作階段，需要調整的參數較多。
2. 歐美日的交流電機驅動器產品對死區及相關非線性特性的補償的相當全面與完整，使其低速控制性能優於國內產品。
3.工業產品與消費性產品的主要差異就是穩定性，歐美日的變頻產品的穩定度（含抗干擾性）優於國內的變頻產品，國外大廠對於工業產品對環境耐受度作了相當深入的研究與調整。
4. 歐美日的交流電機驅動器產品的研發不斷往水平與垂直整合，國外大廠往往會將上游的功率半導體元器件與交流電機驅動器進行整合與一體設計，讓產品的體積更小、散熱性更好，也會往水平整合，像是整合馬達設計與各種通訊協定，並提早進行相關專利布局。
以上是筆者從個人的技術角度與經驗所歸納的差異點，筆者認為可以透過以下方法進行改善：
 對交流電機驅動系統，包括交流電機、PWM變頻器與控制回路，進行完整的建模與研究，並充分考慮非線性特性。
 對交流電機磁場導向控制的所需的關鍵算法進行完整研究、建模與測試，所需的關鍵算法如下：
． 磁場導向控制（FOC）算法
． 無速度感測器（Speed sensorless）算法
． 弱磁控制（Flux weakening）算法
． 死區（Deadtime）與非線性（Distortion）補償算法
． 馬達參數自學習（Autotuning）算法
． 控制回路最佳化與自適應算法
 對不同文獻所提出的交流電機控制算法的工程實用價值進行評估與研究。
 使用電腦軟體（如MATLAB/SIMULINK）建立交流電機控制算法模擬系統。
 建立硬體在線回路（HIL）模擬系統，HIL可以提供比電腦數值模擬更貼近真實物理系統響應。
 建立CAE虛擬原型，使用有限元素分析軟體建立馬達與功率轉換器的虛擬原型，可以進行 熱流、振動、噪音、電磁相容等測試，使用CAE使產品模型進行模擬測試，減少測試成本，最終擺脫實體機器完成產品性能測試。
 對真實系統與電腦模擬系統進行對照檢驗（說明：讓電腦模型只含有足夠重現系統特性的資料，摒棄掉其它無關的細節），以建立高可信度且合理的電腦模型。
 使用電腦模擬系統（包含算法模擬系統、HIL模擬系統與CAE虛擬原型）的目的是最大程度使用電腦來進行產品測試與故障排除，可大幅減少軟硬體測試的成本（人力、材料與時間）。

1.4　交流馬達驅動器全球市場概況
截至2023年全球交流電機驅動器（又稱作變頻器）的市場規模已達到235億美元，到2028年預測將達到287億美元，2023年至2028年的年複合成長率為6.1%[6]；而截至2022年，全球伺服電機與驅動器的市場規模已經達到122億美元，到2028年全球市場規模預測將達到162億美元，2023年至2028年的年複合成長率為4.7%[7]。若考慮使用交流驅動器的電動車市場規模，它將由2020年的960億美元，暴增到2030年的9900億美元與2040年的1兆9800億美元，已經遠勝千億美元的PC與手機產業。
愈來愈多的工業與民生需求是推動交流電機驅...

序言
在科技日新月異的時代，我們正面臨著一個歷史性的轉折，那就是電動車時代的來臨。隨著電動車的普及和自動化技術的進步，交流電機將逐步取代傳統的內燃機成為汽車的主要動力源。然而，要實現這一目標，仍需克服眾多挑戰，其中最關鍵的一個問題便是如何將理論與實務有效地融合。
在長期的研究與實務經驗中，筆者發現交流電機控制領域的教學與應用之間仍然存在一條不可忽視的鴻溝，讓許多人面對這門抽象的技術仍處於一知半解的狀態，多年前，筆者曾經就是這樣的學生，在面對實務問題時，仍然傾向使用試誤法，而非使用直覺性的物理知識與控制系統思維來解決交流電機的控制問題。
在工業界經過多年的理論實踐與反思後，筆者創作本書，旨在為讀者提供一個全面且富實踐性的交流電機控制學習指南。學習交流電機控制這門技術若要有所成效，則必須藉助實驗平台進行理論驗證，但實際上取得實驗平台通常有困難，因此需要依賴計算機仿真，因此本書除了詳細剖析交流電機的原理、運作機制以及控制策略外，還包含了大量的MATLAB/SIMULINK電腦仿真範例程式供讀者使用，幫助讀者在理論與實務之間建立橋樑，並培養物理直覺與控制系統思維框架，為電動車時代的技術創新鋪路，此外，隨著工業4.0和智能製造的快速發展，交流電機在自動化設備和智能系統中的應用將日益廣泛，因此，掌握交流電機控制與仿真技術在這個時代變得愈來愈重要。
本書從基本原理出發，深入淺出地介紹了交流電機控制與仿真技術的各個方面，經過精心策劃和編撰，書中涵蓋了豐富的理論知識與MATLAB/SIMULINK範例程式，以確保讀者能夠全面理解和掌握交流電機控制相關技術。
在第一章中，我們首先回顧了交流電機控制技術的發展歷程，並對比了電機與傳統內燃機的優勢。接著，透過探討電機驅動的負載類型、交流電機驅動器性能指標以及市場概況，我們為讀者勾勒出交流電機控制技術的全貌。
在第二、三章中，我們深入探討了三相交流馬達空間向量模型及磁場導向控制，力求為讀者打造一個完整的理論體系。隨後，在第四章中，我們將重點放在PWM變頻器模型的研究，仔細探討了各種不同的弦波調變（SPWM）技術，幫助讀者更好地理解和運用這一技術。
到了第五章，我們討論了眾多交流電機控制的相關議題，包括無感測器技術、參數自學習技術、弱磁控制技術、標么系統、控制器設計技術等。這些內容將使讀者更深入地了解交流電機控制的各個技術層面。
最後，在第六章中，我們將視野擴展到直流無刷馬達（BLDC）控制技術，探討直流無刷馬達最廣為使用的120度控制法，為讀者提供一個更加全面的技術視角。
我們深知，在交流電機控制技術的領域中，理論與實務之間存在著一道看似難以跨越的鴻溝，然而，本書正是為了幫助讀者逐步跨越這道障礙而誕生的，透過閱讀本書並操作每章節所提供的範例程式，讀者將能夠掌握交流電機控制與仿真技術的核心理念，並學會如何將這些理念運用於實際應用。
無論您是一位電機專業的學生、教師，還是工程師，都將從本書中獲得寶貴的知識和實踐經驗，並期望能為廣大工程師、學者和愛好者提供實用的知識和技能，以攜手共創電動車時代的美好未來，成就一個更環保、更高效的世界。
希望本書能為您的學習和工作帶來實質性的幫助，若有不足之處，敬請讀者指正。

序言
在科技日新月異的時代，我們正面臨著一個歷史性的轉折，那就是電動車時代的來臨。隨著電動車的普及和自動化技術的進步，交流電機將逐步取代傳統的內燃機成為汽車的主要動力源。然而，要實現這一目標，仍需克服眾多挑戰，其中最關鍵的一個問題便是如何將理論與實務有效地融合。
在長期的研究與實務經驗中，筆者發現交流電機控制領域的教學與應用之間仍然存在一條不可忽視的鴻溝，讓許多人面對這門抽象的技術仍處於一知半解的狀態，多年前，筆者曾經就是這樣的學生，在面對實務問題時，仍然傾向使用試誤法，而非使用直覺性的物理知識...

目錄
第一章　導論
1.1　交流電機驅動器的發展歷程　
1.2　電機驅動的負載類型　
1.4　交流馬達驅動器全球市場概況　
1.5　電機相較於傳統內燃機的優勢　
1.6　交流電機控制關鍵技術　
1.7　結論　
第二章　三相交流電機空間向量模型
2.1　直流分激式馬達原理　
2.2　空間向量表示法　
2.3　Clarke轉換（abc to αβ）　
2.4　Park轉換（αβ to dq）　
2.5　三相鼠籠式感應馬達空間向量模型　
2.6　三相永磁馬達空間向量模型　
2.7　結論　
第三章　三相交流馬達磁場導向控制
3.1.　鼠籠式感應馬達磁場導向控制　
3.2　永磁同步馬達磁場導向控制　
3.3　結論　
第四章　PWM Inverter模型
4.1　使用SPWM的單相半橋Inverter　
4.2　使用SPWM的單相全橋Inverter　
4.3　使用SPWM的三相VSI模型　
4.4　使用三次諧波注入調變的三相VSI模型　
4.5　加入偏移值調變的三相VSI模型　
4.6.　空間向量調變法（SVPWM）的VSI模型　
4.7　考慮死區效應的VSI模型　
4.8.　結論　
第五章　其它控制議題　
5.1　交流電機速度無感測器技術　
5.2　永磁同步馬達參數自學習技術　
5.3　交流電機弱磁控制技術　
5.4　標么系統（Per-Unit System）　
5.5　控制器設計　
5.6 單電阻三相電流重建技術　

第六章　直流無刷馬達（BLDC）控制技術
6.1　直流無刷馬達控制原理　
6.2　直流無刷馬達控制系統模擬　
6.3　直流無刷馬達弱磁控制技術　
6.4　分離電源轉換器BLDC驅動架構　
6.5　結論　
附  錄　使用Model Linearizer自動找出SIMULINK控制系統波德圖

目錄
第一章　導論
1.1　交流電機驅動器的發展歷程　
1.2　電機驅動的負載類型　
1.4　交流馬達驅動器全球市場概況　
1.5　電機相較於傳統內燃機的優勢　
1.6　交流電機控制關鍵技術　
1.7　結論　
第二章　三相交流電機空間向量模型
2.1　直流分激式馬達原理　
2.2　空間向量表示法　
2.3　Clarke轉換（abc to αβ）　
2.4　Park轉換（αβ to dq）　
2.5　三相鼠籠式感應馬達空間向量模型　
2.6　三相永磁馬達空間向量模型　
2.7　結論　
第三章　三相交流馬達磁場導向控制
3.1.　鼠籠式感應馬達磁場導向控制　...