臺灣博碩士論文加值系統

由於近年來人類對於生活環境品質和環保意識的抬頭，再加上爆發的石油危機及世界各國的環保法令規範趨於嚴苛，減少污染與節約能源的課題再度成為努力的目標。
現階段電動車採用的馬達可分為：直流有刷馬達、直流無刷馬達和開關磁阻馬達三種，由於開關磁阻馬達控制困難所以市面上比較少見，相對的直流有刷馬達和直流無刷馬達就比較普遍。直流有刷馬達因為價格便宜、控制容易和穩定性高等因素較常被使用，但是具有噪音大，須定期更換碳刷等缺點。直流無刷馬達因為噪音低、效率高、可靠性佳、功率密度高和成熟的控制技術等因素已漸漸的取代直流有刷馬達。
本文在硬體方面使用低價位的微型控制器作為該系統的主體，並使用被動元件與電晶體的組合電路作為馬達的驅動電路，再配合控制感測回授電路、電壓電路及輸出入電路來構成整個完整的系統架構。
在程式方面將使用雙閉環式架構，雙環分別為速度環跟電流環。首先計算電流環確保電流沒有超過最大限制再計算速度環，速度環由手把輸入來改變其相對應的速度，再經由速度環計算出相對應的電流值，再將速度環計算的結果送至電流環以計算出相對應的PWM值。雙環的計算方式皆採用增量式PID控制算法來達成。
系統完成後將具有下列數項功能：
1.系統的自我檢測。
2.具有平穩的啟動狀態。
3.過電流的保護機制。
4.過電壓和欠電壓的保護機制。

In current stage, there are three kinds of motor used by electric vehicle: brush dc motor, brushless dc motor and switched reluctance motor. Since switched reluctance motor control difficultly, it is much less popular than brush dc motor and brushless dc motor. Because of lower cost, easy to control and control stability, brush dc motor is widely used in building electric vehicle. However, brush dc motor had become more inadequate in later development due to short operating life. On the contrary, brushless dc motor has characters such as high efficiency, excellent reliability, enough locked rotor torque and mature contract technology. Hence, brushless dc motor is becoming to substitute for brush dc motor.
In this thesis, the major core of system is using low-cost microcontroller and all frameworks are building by driver circuit, control sensor feedback circuit, power supply and input/output circuit.
A PID algorithm is used to implement double close loop; current and speed loops. The proposed algorithms can greatly improve the speed controllability and stability. Carefully handle the PWM mechanism provided by the microcontroller, the two closed PID loops could be easily accomplished. Besides the smoothly speed control, the system safety monitoring and driver circuit protecting mechanisms are also considered in this thesis.

目錄
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
表目錄 V
圖目錄 V
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2研究方法與目的 1
1-3 論文架構 2
第二章 電動機車馬達簡介 3
2-1 電動機車動力馬達 3
2-2 無刷直流馬達 4
2-2.1 無刷直流馬達發展史 4
2-2.2 無刷直流馬達簡介 5
第三章 無刷直流馬達驅動控制原理 7
3-1 無刷直流馬達驅動原理 7
3-1.1 星形三相半橋式驅動電路 7
3-1.2 星形三相全橋式驅動電路 8
3-1.3 三角形三相全橋式驅動電路 12
3-2 無刷直流馬達控制原理 16
3-2.1 增量式PID演算法 17
第四章 系統架構規劃與程式設計流程 19
4-1 系統設計說明與功能簡介 19
4-1.1 電源供應系統設計 20
4-1.2 逆變器（INVERTER）驅動電路 20
4-1.3 馬達回授電路設計 21
4-1.4 微控制器電路規劃 23
4-2 程式設計流程 24
4-2.1 主程式 24
4-2.2 TIMER中斷副程式 26
4-2.3 過電流副程式 27
4-2.4 剎車處理副程式 28
4-2.5 低壓處理副程式 29
4-2.6 電池讀取處理副程式 30
4-2.7 轉速讀取處理副程式 31
4-2.8 速度環運算處理副程式 32
4-2.9 電流環運算處理副程式 33
第五章 系統電路實作及量測 34
5-1 系統電路實作 34
5-1.1 電源供應系統實作 35
5-1.2 微控制器電路實作 36
5-1.3 逆變器（INVERTER）驅動電路與馬達回授電路實作 37
5-2 系統量測 38
5-2.1 霍爾感測訊號量測 38
5-2.2 微控制器輸出的驅動訊號 39
5-2.3驅動電路的輸入和輸出訊號 40
第六章 結論 41
6-1 研究結論 41
6-2 未來研究方向 41
參考文獻 42
附錄 43

表目錄
表 2 1 馬達種類對電動車的影響 3
表 3 1 120°位置訊號與繞組導通順序 10
表 3 2 120°位置訊號與繞組導通順序 14
表 5 1 霍爾訊號與驅動控制碼 39
圖目錄
圖 2 1 無刷直流馬達系統的組成 5
圖 2 2 無刷直流馬達結構示意圖 6
圖 2 3 轉子結構形式 6
圖 3 1 三相半橋式逆變器（INVERTER）架構 7
圖 3 2 三相半橋式位置檢測訊號 7
圖 3 3 繞組導通與轉子磁極相對位置圖 8
圖 3 4 星形三相全橋式逆變器（INVERTER）架構 9
圖 3 5 無刷馬達120°工作原理示意圖 9
圖 3 6 120°三相繞組的反電動勢和開通規律 10
圖 3 7 無刷馬達180°工作原理示意圖 11
圖 3 8 180°三相繞組的反電動勢和開通規律 12
圖 3 9 三角形三相全橋式逆變器（INVERTER）架構 12
圖 3 10 無刷馬達120°工作原理示意圖 13
圖 3 11 120°三相繞組的反電動勢和開通規律 14
圖 3 12 無刷馬達180°工作原理示意圖 15
圖 3 13 180°三相繞組的反電動勢和開通規律 16
圖 3 14 無刷直流馬達系統控制原理圖 17
圖 4 1 系統方塊圖 19
圖 4 2 系統電源電路 20
圖 4 3 單一相驅動電路 21
圖 4 4 霍爾感測訊號電路 22
圖 4 5 馬達回授電流 22
圖 4 6 微控制器電路 23
圖 4 7 主程式流程圖 25
圖 4 8 TIMER中斷流程圖 26
圖 4 9 過電流副程式流程圖 27
圖 4 10 剎車處離流程圖 28
圖 4 11 低壓處理流程圖 29
圖 4 12 電池讀取處理流程圖 30
圖 4 13 轉速讀取處理流程圖 31
圖 4 14 速度環運算流程圖 32
圖 4 15 電流環運算流程圖 33
圖 5 1 整體系統實際電路板 34
圖 5 2 電源供應系統實際電路 35
圖 5 3 微控制器電路 36
圖 5 4 驅動與回授電路 37
圖 5 5 霍爾感測訊號HA與HC波型圖 38
圖 5 6 霍爾感測訊號HA與HB波型圖 39
圖 5 7 微控制器輸出的驅動訊號 40
圖 5 8 驅動電路的輸入和輸出訊號 40

[1] 陳遵立、杜慶豪，「高性能電動機車無刷直流馬達」碩士論文，國立中山大學電機工程學系，中華民國八十九年六月。
[2] 孫清華編譯，「最新無刷直流馬達」，全華科技圖書股份有限公司，中華民國九十年十二月。
[3] 孫建忠、白鳳仙編著，「特種電機及其控制」，中國水利水電出版社，2005年5月。
[4] 王曉明編著，「電動機的單片機控制」，北京航空航太大學出版社，2005年5月。
[5] 朱耀忠、劉景林、羅玲、黃建、周元鈞、竇滿峰編著，「電機與電力拖動」，北京航空航太大學出版社，2005年9月。
[6] 鍾啟仁編著，「HT46xx微控制器理論與實務寶典」，全華科技圖書股份有限公司，中華民國九十三年十一月。
[7] Anish Varsani, “Low Cost Brushless DC Motor Controller”, The University of Queensland, Submitted for the degree of Bachelor of Engineering In the division of Computer Systems Engineering 29th November 2003.
[8] 賀力行、李陳國編著，「台灣電動機車產業發展與競爭策略之分析」，http://www.moea.gov.tw/~ecobook/season/sag/sag21.htm
[9] Microchip Technology Inc.,” Brushless DC Motor Control Made Easy”,AN857.
[10] Microchip Technology Inc.,” Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals”,AN885.
[11] Microchip Technology Inc.,” Motor Control Sensor Feedback Circuits”,AN894.
[12] Silicon Laboratories,” MOTOR CONTROL SOFTWARE EXAMPLES”,AN191.