臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要在設計一運用於電動載具的經濟型無刷直流馬達驅動器，以實現無刷直流馬達的運轉控制。本系統包括控制單元及電機驅動模組兩大部分。驅動模組即以控制核心為ARM Contex-M0 STM32F030C8 微處理器之驅動器控制電路，加上霍爾感測元件和周邊介面電路; 控制單元即驅動器之控制程式，包含無刷直流馬達的控制理論及相關介面技術。透過軟體的設定，本文所提出之電動機驅動模組可搭配不同驅動方式，不需要更改電路設計。並且透過電流限制功能可控制電動機輸出轉矩，使電動載具可運轉於省電模式。實驗結果證實所設計的驅動器具有架構簡單、成本低廉及性能優越的特性。

In this thesis, a drive system of the electrical vehicle is designed and investigated. It is used to achieve power and speed control of a brushless DC motor. The system consists of a control unit and drive module which combines a drive circuit. The drive module comprises driver control circuit based on ARM Cortex-M0 microprocessor STM32F030C8 as control unit, hall sensors and peripheral interface electric circuit. The control unit program includes brushless DC motor control theory and interface technologies. By modifying the software of the system, the proposed drive system can be implemented in various driving methods without changing circuit design. By limiting the armature current, the vehicle can be operated under the power saving mode. Experimental results demonstrate that the designed driver is simple, lower cost and good performance.

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX

第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 電動載具系統零組件特性關鍵指標 4
1.4 論文大綱 6

第二章 永磁無刷馬達控制原理與數學模式 7
2.1 直流無刷馬達基本介紹 7
2.2 直流無刷馬達之動作原理 8
2.3 直流無刷馬達數學模型 13

第三章 永磁無刷馬達驅動技術 17
3.1 驅動技術簡介 17
3.2 六歩方波驅動法 17
3.3 正弦脈寬調變(SPWM) 23
3.4 空間向量調變法(SVPWM) 26

第四章 系統架構與控制 34
4.1 系統架構 34
4.2 驅動控制器電路介紹 35
4.2.1 MCU STM32F030C8主要電路 37
4.2.2 電流偵測與控制電路 38
4.2.3 功率電晶體驅動電路 41
4.3 運算元件設計 43
4.3.1 控制單元程式流程 44
4.3.2 電流控制限制程式流程 45
4.3.3 速度控制程式流程 46

第五章 實驗量測 49
5.1 運轉模式訊號量測 50
5.2 電流限制訊號量測 53
5.3 電流對動力平台特性之影響 54
5.4 速度命令對動力平台特性之影響 57
5.5 轉速控制量測 59

第六章 結論與討論 62
6.1 結論 62
6.2 未來研究方向與建議 63

參考文獻 64
附錄 67


圖目錄
頁次
圖1-1 BLDC與PMSM 反電動勢與相電流差異 3
圖2-1直流無刷馬達構造 7
圖2-2直流有刷電動機與無刷直流電動機等效示意圖 8
圖2-3佛萊銘左手定則 9
圖2-4無刷直流電動機等效電路 9
圖2-5霍爾感測信號之位置圖 11
圖2-6三相同步電動機剖面與轉動磁場原理 12
圖2-7三相各相電樞電流波型 12
圖2-8無刷直流馬達轉移函數方塊圖 15
圖2-9無刷直流馬達簡化方塊圖 16
圖3-1無刷直流馬達等效電路與三相電橋關係圖 18
圖3-2電動機正轉之反電動勢與霍爾感測器關係圖 19
圖3-3電動機反轉之反電動勢與霍爾感測器關係圖 19
圖3-4電動機之反電動勢與霍爾感測器訊號實測圖 20
圖3-5二相導通電流流向與兩相激磁之等效電路 21
圖3-6電動機正轉之六步狀態對應三相相電壓與線電壓關係圖 22
圖3-7電動機反轉之六步狀態對應三相相電壓與線電壓關係圖 23
圖3-8脈寬調變PWM的操作原理 24
圖3-9電動機輸出端之相電壓 25
圖3-10電動機輸出端之線對線電壓 25
圖3-11 SPWM 換流器輸出基本波峰值與振幅調變指數關係圖 26
圖3-12電壓向量平面空間相位圖 27
圖3-13第一象限基本電壓向量圖 29
圖3-14第一象限三相上臂導通時間控制輸出圖 31
圖3-15六個象限三相輸出電壓PWM波形; (a)第一象限，(b)第二象限，(c)第三象限，(d)第四象限，(e)第五象限，(f) 第六象限 32
圖3-16空間向量調變法電動機輸出電壓平均值 33
圖4-1電動載具系統架構示意圖 34
圖4-2輪轂式馬達結構 35
圖4-3實際測試電動載具 35
圖4-4電機驅動模組function block 36
圖4-5三相上下臂功率電晶體組成電路 37
圖4-6 MCU週邊電路示意圖 38
圖4-7電流偵測放大電路 39
圖4-8 Peak Current Control(一) 40
圖4-9 Peak Current Control(二) 40
圖4-10電流限制電路實測波形 40
圖4-11整合型功率電晶體驅動IC電路 41
圖4-12傳統功率電晶體驅動電路 41
圖4-13下上臂功率電晶體驅動電路Dead Time 實測 43
圖4-14 Closed Speed and Torque loops 6-Step Control 43
圖4-15 控制單元主程式流程 44
圖4-16電流控制程序程式流程; (a)電流控制流程，(b)電流限制流程 45
圖4-17電流控制方塊圖 46
圖4-18主要速度控制程式流程 47
圖4-19速度控制方塊圖 48
圖5-1磁粉測功動力機 49
圖5-2無刷直流電機驅動電路架構 50
圖5-3電動載具運轉之電樞電流波形 51
圖5-4上下臂PWM 訊號與電樞電流波形 51
圖5-5 TPS慢加速時上下臂與相電流波形 52
圖5-6 TPS急加&;急放時上下臂與相電流波形 53
圖5-7未加入限電流控制之輸出電樞電流 53
圖5-8加入限電流控制之輸出電樞電流 54
圖5-9電動機特性曲線 55
圖5-10電流限制整體效率曲線 56
圖5-11電流限制對輸出轉矩曲線 56
圖5-12 PWM Duty與轉速對應曲線 58
圖5-13 TPS 2.0V 啟動電流特性曲線 58
圖5-14 TPS 3.0V 啟動電流特性曲線 59
圖5-15 TPS 4.0V 啟動電流特性曲線 59
圖5-16底盤動力機控制設備 60
圖5-17轉速命令1000rpm 時的負載變動響應曲線; (a)控制器換算轉速與輸出轉矩的比較情形;(b)無刷馬達相電流響應波形 60
圖5-18 轉速命令1500rpm 時的負載變動響應曲線; (a)控制器換算轉速與輸出轉矩的比較情形;(b)無刷馬達相電流響應波形 61
圖5-19 轉速命令2000rpm 時的負載變動響應曲線; (a)控制器換算轉速與輸出轉矩的比較情形;(b)無刷馬達相電流響應波形 61
附圖一 驅動控制器外觀 67
附圖二 驅動控制器(一) 67
附圖三 驅動控制器(二) 67

表目錄
頁次
表1-1 BLDC與PMSM特性比較表 3
表3-1電動機正轉時各區間之霍爾感測器與六顆功率晶體之導通狀態表 20
表3-2電動機反轉時各區間之霍爾感測器與六顆功率晶體之導通狀態表 21
表3-3馬達正轉之三相各相電壓及線對線電壓 21
表3-4馬達反轉之三相各相電壓及線對線電壓 22
表3-5切換組合與電壓空間向量暫態電壓關係對照表 28
表3-6兩軸靜止座標之暫態電壓表 28
表3-7各象限Tx與Ty之代數代表值 30
表3-8 Tx、Ty、To與控制比較值之關係轉換表 31
表4-1 SSF7509規格 42
表5-1動力機無刷馬達規格 49
表5-2 TPS、PWM DUTY、HALL週期與轉速對應表 57
附表一 驅動控制器規格 68

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