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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳建宏
研究生(外文):Chien-Hung Chen
論文名稱:直流無刷馬達驅動器之設計與製作
論文名稱(外文):Design and Implementation of a Brushless DC Motor Driver
指導教授:楊岳儒楊岳儒引用關係
指導教授(外文):Yueh-Ru Yang
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:直流無刷馬達再生煞車
外文關鍵詞:Brushless dc motorRegenerative braking
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本文設計並製作一部具有再生煞車功能之無刷直流馬達驅動器。使用三相Y接永磁式無刷直流馬達,馬達額定值為24伏特650瓦特每分鐘2050轉。以串聯之兩顆12V伏特50安培小時鉛酸電池作為電源。以三相全橋電路120度導通方式作正轉、反轉、與煞車操作。以低價位之八位元微控制器產生波寬調變信號,以可規劃邏輯元件根據轉子位置驅動對應之開關導通,控制馬達作定速運轉。作再生煞車時,控制全橋電路之下臂開關,以升壓操作方式將馬達速率電勢轉換為對電池充電之電流,將馬達動能轉換為電能並儲存於鉛蓄電池組。
In this thesis, a brushless dc motor (BLDCM) driver of having regenerative braking function is designed and implemented. A 3-phase Y-connected permanent brushless dc motor is tested and its ratings are 24V, 650W, and 2050RPM. Two 12V lead-acid batteries are used as power source and a 3-phase full-bridge driving circuit drives the motor with 120-degree conduction. For speed control, a low-price 8-bit microcontroller generates the required pulse-width-modulation signals and a programmable logic device conducts the corresponding transistors according to the rotor position. For regenerative braking, each lower switch of switch leg is controlled to boost the motor speed voltage to the battery charging current, and therefore the dynamic energy of the motor is transformed to the electrical energy stored in the batteries.
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員審定書 ii
明志科技大學學位論文授權書 iii
博碩士論文電子檔案上網授權書 iv
誌謝 vi
中文摘要 vii
英文摘要 viii
目錄 ix
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2文獻回顧 2
1.3論文架構 3
第二章 直流無刷馬達原理 4
2.1直流無刷馬達介紹 4
2.2驅動原理 7
2.2.1换相時機 13
2.2.2 120°與180°驅動端電壓 15
第三章 直流無刷馬達模型與數學分析 19
3.1馬達模型建立 19
3.2參數量測與計算 26
第四章 再生煞車與能量回收 29
4.1煞車原理介紹 29
4.1.1電力式煞車 29
4.2基本電力轉換系統 31
4.2.1電力轉換系統 31
4.2.2 DC-DC轉換器 31
4.3再生煞車與馬達運轉 36
4.3.1再生煞車原理 36
4.3.2馬達運轉模式 36
4.3.3故障運轉模式 42
第五章 電路實作與實驗結果 44
5.1系統架構 44
5.2 模擬與實作 45
5.2.1電路模擬 45
5.2.2電路製作 47
5.2.3電路說明 48
5.3實驗設計與測試結果 54
5.3.1實驗設計與測試儀器 54
5.3.2馬達運轉測試 55
5.3.3 Boost升壓電路能量回收 60
5.3.4故障運轉實驗 68
第六章 結論與未來研究方向 70
6.1研究結論 70
6.2未來研究方向 70
參考文獻 71
附錄
A 電源供應、回授偵測、馬達驅動電路圖 75
B 微控制器電路圖 76
C 電源供應、回授偵測、馬達驅動電路PCB 77
D 微控制器電路圖PCB 77
E 符號編輯 78

表目錄
表2.1 使用於電動車輛之馬達比較 7
表3.1 轉子旋轉一圈電感值的變化量 27
表3.2 直流無刷馬達參數表 28
表4.1 各種皮帶之傳動效率 30
表4.2 120°導通驅動之開關動作真值表 41
表4.3 開關ON/OFF時各相的電感量與線圈應電勢 42
表5.1 無Boost-G充電前與充電後電池的情況 57
表5.2 無Boost-G輸入功率與再生功率之關係 57
表5.3 新無Boost-G輸入功率與再生功率之關係 59
表5.4 Boost-G充電前與充電後電池的情況 63
表5.5 Boost-G輸入功率與再生功率之關係 64
表5.6 新Boost-G輸入功率與再生功率之關係 65

圖目錄
圖2.1 直流無刷馬達結構示意圖 4
圖2.2 直流有刷馬達與直流無刷馬達之靜態與動態特性比較 5
圖2.3 電動車輛與引擎汽車之能源轉換效率比較 6
圖2.4 直流無刷馬達之開關驅動電路示意圖 8
圖2.5 馬達正轉之開關導通與線圈激磁狀態(a)120°矩形波驅 10
圖2.5 馬達正轉之開關導通與線圈激磁狀態(a)180°矩形波驅 11
圖2.6 120°矩形波驅動時之馬達端電壓波形 12
圗2.7 霍爾感測器之實體圖 13
圖2.8 霍爾元件與反電動勢之對應波形 14
圖2.9 反電動勢對應同步的相電流波形 15
圖2.10 開關導通對應關係(a)120° 17
圖2.10 開關導通對應關係(b)180° 18
圖3.1 三相Y接無刷直流馬達等效電路模型 19
圖3.2 頻率與轉子角度的關係 21
圖3.3 直流無刷馬達機械力矩示意圖 23
圖3.4 直流無刷馬達模型系統化簡方塊圖 25
圖4.1 DC-DC轉換器動作原理 32
圖4.2 Boost電路及動作示意圖 33
圖4.3 全橋式轉換器的電路架構圖 34
圖4.4 第一組開關導通情形 34
圖4.5 第二組開關導通情形 35
圖4.6 煞車、儲能模式(下開關S4導通) 38
圖4.7 能量回收模式(a)引擎煞車(b)下開關S4截止 39
圖4.8 馬達故障運轉情形 43
圖5.1 馬達控制系統示意圖 44
圖5.2 驅動訊號放大電路圖 46
圖5.3 各端點訊號波型 46
圖5.4 馬達驅動、電流回授電路的印刷電路佈線圖 47
圖5.5 控制電路的印刷電路佈線圖 47
圖5.6 馬達驅動板與控制電路板成品圖 48
圖5.7 電源供應電路圖 49
圖5.8 單一相閘極驅動電路圖 50
圖5.9 編譯器設計環境 52
圖5.10 開關編譯器訊號輸入與輸出模擬 52
圖5.11 電流回授電路 53
圖5.12 實驗流程圖 54
圖5.13 AB相電壓與A相電流波形(a)Duty=10% 55
圖5.13 AB相電壓與A相電流波形(b)Duty=50%(c)Duty=100% 56
圖5.14 馬達M2帶動馬達M1發電示意圖 57
圖5.15 無Boost-G再生功率-轉速關係圖 58
圖5.16 無Boost-G再生效率-轉速關係圖 58
圖5.17 新無Boost-G再生功率與轉速關係圖 59
圖5.18 新無Boost-G再生效率與轉速關係圖 60
圖5.19 CH1煞車信號、CH2再生電流 61
圖5.20 馬達M2帶動馬達M1發電示意圖 63
圗5.21 有Boost-G再生功率與轉速關係圖 64
圗5.22 有Boost-G再生效率與轉速關係圖 65
圖5.23 新有Boost-G新再生功率與轉速關係圖 66
圖5.24 新有Boost-G新再生效率與轉速關係圖 66
圖5.25 再生功率與轉速關係比較圖 67
圖5.26 再生效率與轉速關係比較圖 67
圖5.27 轉速初始值 68
圖5.28 接受命令後的轉速 68
圖5.29 開關正常導通運轉 69
圖5.30 移除S5訊號運轉CH1 、CH2 69
圖5.31 單相運轉(缺少C相) CH1 、CH2 69
參考文獻
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