交流電機控制回路設計：帶你掌握電機控制系統設計的最關鍵技能

在交流電機控制領域中，數位控制回路的設計向來是個具挑戰性的議題。 隨著技術的進步，對於高效且穩定的馬達控制系統的需求越來越高，這也促使我們需要更深入地研究並應用經典的控制理論，以滿足現代應用的要求。
數位控制系統是實現交流電機控制技術的主流方式，而數位系統先天就不可避免的會產生延遲效應，如運算延遲、取樣延遲、輸出延遲等，而延遲必然會減少系統的穩定度，若在控制回路設計階段，未將延遲納入考慮，則設計的系統頻寬與穩定度將與系統的實際值有相當大的出入，因此本書會從經典控制理論中的頻寬（Bandwidth）、相位裕度（Phase margin）與增益裕度（Gain margin）出發，並考慮數位系統的延遲效應來設計交流電機控制回路（電流、速度、位置回路），設計完成的模擬系統將非常接近真實馬達控制系統，建構接近真實物理系統的模擬工具，不僅可大幅降低研發與測試成本，也可作為建立自主智慧財產權的有效載體，提升自主化創新能力與核心競爭力。

葉志鈞
專長：馬達控制演算法、物聯網系統設計、計算機韌體技術

作者於2011年於國立臺北科技大學獲得電機博士學位後，曾先後在台灣上市指標科技公司擔任高級技術研發職位，在電機控制及變頻技術演算法等領域深具經驗。並曾在《IET Electric Power Applications, EPA》、《Journal of the Chinese Institute of Engineers, JCIE》、機電整合雜誌與國內外研討會發表論文、技術文章十餘篇，獲得專利3項，著有《物聯網高手的自我修練》、《交流電機控制與仿真技術》、《交流電機控制回路設計》。

作者的官方網站：電控人線上學院https://YEHSTALK.SCHOOL有提供豐富的《交流電機控制》相關線上課程、服務與培訓，有興趣的讀者可以參考官網相關內容，或是參考作者的YouTube頻道《老葉說事YEHSTALK》觀看更多交流電機控制與物聯網的相關教學影片。

在交流電機控制領域中，數位控制回路的設計向來是個具挑戰性的議題。隨著技術的進步，對於高效且穩定的馬達控制系統的需求愈來愈高，這也促使我們需要更深入地研究並應用經典的控制理論，以滿足現代應用的要求。
數位控制系統是實現交流電機控制技術的主流方式，而數位系統先天就不可避免的會產生延遲效應，如運算延遲、取樣延遲、輸出延遲等，而延遲必然會減少系統的穩定度，若在控制回路設計階段，未將延遲納入考慮，則設計的系統頻寬與穩定度將與系統的實際值有相當大的出入，因此本書會從經典控制理論中的頻寬（Bandwidth）、相位裕度（Phase margin）與增益裕度（Gain margin）出發，並考慮數位系統的延遲效應來設計交流電機控制回路（電流、速度、位置回路），設計完成的模擬系統將非常接近真實馬達控制系統，建構接近真實物理系統的模擬工具，不僅可大幅降低研發與測試成本，也可作為建立自主智慧財產權的有效載體，提升自主化創新能力與核心競爭力。
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，本書正是為了幫助讀者逐步跨越這道障礙而誕生的，本書不僅提供了豐富的理論知識，也結合了MATLAB/SIMULINK 模擬工具與ODrive 硬體平台為讀者提供了一套完整的交流電機控制系統模擬與實務經驗，透過閱讀本書並操作每章節所提供的範例程序，讀者將能夠逐步掌握交流電機控制技術的核心理念，並學會如何將這些理念運用於實際應用，因此本書應可提供讀者關於交流電機控制技術的全面理解與實踐知識，同時幫助各位經典釐清控制理論中令人感到一知半解的重要觀念。
本書內容安排如下：
第一章，我們先對交流馬達的空間向量模型進行詳細的探討，從直流分激式馬達的原理開始，逐漸深入到空間向量表示法與座標轉換，為後續章節打下堅實的理論基礎。
第二章，我們專注於交流馬達控制回路的設計。你會了解到磁場導向控制策略、考慮延遲效應的PI 控制器設計、控制器的抗擾動性能分析，並且將前饋補償技術與控制器設計結合起來，建構響應速度更快的控制回路。
在第三章，我們將探討三相逆變器調變策略，包括SPWM、三次諧波注入、加入偏移值調變等多種調變策略，並結合SIMULINK 模擬驗證其效果。
在第四章中，我們將使用ODrive 硬體平台進行真實系統的驗證。你將看到如何設定ODrive ，如何利用它進行控制回路的驗證。
第五章，我們將深入探討控制實務中常見的議題，包括馬達參數的自學習技術、不同PWM 採樣方式的延遲效應分析、數位濾波器的設計流程、以及如何設計Luenberger 估測器，並進行相關的仿真與實務驗證。
最後，在第六章，我們回顧經典控制理論，重新檢視控制理論中的核心觀念，如穩定性、拉氏轉換與轉移函數的差異、數位控制系統中的取樣與Z轉換等、標準二階系統的本質與特性、穩態誤差的本質與分析、非最小相位系統的意義等重要觀念。
無論您是電機專業的學生、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，以攜手共創造一個更環保、更有效率的世界，希望本書能為您的學習和工作帶來實質的幫助，若有不足之處，請讀者指正。

葉志鈞

第一章交流電機空間向量模型
1.1　直流分激式馬達原理　
1.2　空間向量表示法與座標轉換　
1.3　三相鼠籠式感應馬達空間向量模型　
1.4　三相永磁馬達空間向量模型　
1.5　結論　
參考文獻　

第二章交流電機控制回路設計
2.1 交流電機磁場導向控制策略　
2.1.1　鼠籠式感應馬達的磁場導向控制　
2.1.2　永磁同步馬達磁場導向控制　
2.2　考慮延遲效應的電流回路PI 控制器設計　
2.3　考慮延遲效應的速度回路PI 控制器設計　
2.3.1　經典的速度回路PI 控制器設計方法　
2.3.2　考慮延遲效應的速度回路PI 控制器設計方法　
2.3.3　速度回路的IP 控制器設計　
2.3.4　速度PI 與IP 控制器的抗擾動性能分析　
2.4　前饋補償技術　
2.5　位置回路控制器設計　
2.6　結論　
參考文獻　

第三章三相逆變器調變策略
3.1　SPWM 調變策略　
3.2　三次諧波注入調變策略　
3.3　加入偏移值調變策略　
3.4　空間向量調變策略　
3.5　整合逆變器的永磁馬達向量控制系統仿真　
3.6　結論　
參考文獻　

第四章使用硬體平台進行設計驗證
4.1　ODrive 的歷史　
4.2　ODrive 系統設置　
4.3　使用ODrive 進行控制回路驗證　
4.3.1　使用不同的PI 控制器參數進行驗證　
4.3.2　使用不同的機械慣量進行驗證　
4.4　結論　
參考文獻　

第五章控制實務議題
5.1　標么系統　
5.1.1　永磁同步馬達dq 軸模型標么化　
5.1.2　永磁同步馬達標么化系統模擬　
5.1.3　結論　
5.2　控制回路的抗積分飽合技術　
5.3　永磁同步馬達參數自學習技術　
5.3.1　永磁同步馬達電機參數自學習技術　
5.3.2　永磁同步馬達機械慣量自學習技術　
5.4　不同PWM 採樣方法所造成的延遲時間　
5.5　永磁同步馬達規格參數介紹
5.6　Butterworth 濾波器設計　
5.7　陷波濾波器設計　
5.8　數位濾波器設計流程及其頻域特性　
5.9　使用編碼器脈衝信號計算速度的MT 法　
5.10　經典Luenberger 估測器的本質及其回路設計　
5.11　電機轉速與擾動的Luenberger 估測器設計　
5.12　使用滑模估測器的永磁同步馬達無感測器控制　
參考文獻　

第六章經典控制理論回顧
6.1　經典控制理論中穩定度的本質　
6.2　拉氏轉換與轉移函數的差別　
6.3　數字控制系統中採樣、Z 轉換與零階保持器的本質　
6.4　S域與Z域的P、I、D 控制器實現　
6.5　標準二階系統的本質與基本特性　
6.6　穩態誤差的本質與分析：以馬達速度控制回路為例　
6.7　非最小相位系統的意義　
6.8　現代控制理論中極點配置法的本質與MATLAB 實作　
6.9　非線性系統線性化　
參考文獻