臺灣博碩士論文加值系統

　　本文採用Atmel核心為主的微控制器板Arduino DUE，針對直流無刷馬達(BLDC)驅動器，進行設計與實務上之探討。近年來電力電子與永磁材料技術成熟，和微控制器生產成本降低以及功能也日益強大，基於這些優勢使直流無刷馬達製作成本降低，在各產業中應用也越廣泛，甚而普及於日常生活中。
　　雖然Arduino系列的開發板都是應用導向的晶片，但畢竟非針對直流無刷馬達這類設計上需要考慮系統即時性而生，故在程式設計上需要考量即時性的控制單元中，應避免使用Arduino指令集，而改用Atmel指令集來進行控制，如此即可提升控制的效能；因為Arduino指令集是由Atmel指令集衍生而得，雖多了可讀性但卻因指令包裝繁瑣，而犧牲了即時性。
　　本論文探討以微控制器Arduino DUE來設計並實作直流無刷馬達驅動器。從驅動器電路原理到電路實作，以及應用PI控制器，進行馬達速度控制，均有詳細的說明。實驗驗證此控制系統，在速度控制上的正確性。由於Arduino開放式程式等特點，目前廣受歡迎，卻鮮有工業上更深入的應用，希望本論文能促成未來更多的Arduino晶片，應用於更多的工業應用。

This thesis proposes the drive design of a brushless DC motor (BLDC), employing an Arduino DUE as the core processor. In recent years, power electronics and permanent magnet materials technology have been mature, and the microcontroller functions have been increasingly powerful with low cost. Based on these advantages, the BLDC motors with low production cost will have more widespread industrial applications, and be popular in people's daily lives.

Though Arduino boards are application-oriented, they are for general purposes, not aimed for real-time controller design for the BLDC motors. The Arduino instruction set is derived from the Atmel instruction set. Thus the Arduino instruction set is more complex, but readable at the expense of immediacy. To enhance the efficiency of the BLDC drive design, we should apply as many Atmel instructions as possible, instead of the Arduino instructions, in the programming design.

From drive theory to circuit implementation, the thesis presents how to apply Arduino DUE to finish BLDC drive design . Moreover, the PI controller is applied to carry out motor speed control. Experimental results demonstrate the accuracy of the proposed design. Arduino has been popular for being an open-source electronics platform, but to date, there are few further industrial applications. We hope this thesis can promote more industrial applications using more Arduino chips in the near future.

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 本文架構 2
第二章 直流無刷馬達原理與驅動電路 3
2.1直流無刷馬達簡介 3
2.2直流無刷馬達驅動控制 5
2.2.1 驅動電路設計 6
2.2.1.1 三相式電橋馬達驅動電路設計 7
2.2.1.2 電源供應模組與反電動勢防護 9
2.2.2 霍爾傳感器位置訊號 11
2.2.3 換相驅動訊號 14
2.2.4 換向驅動訊號脈衝寬度調變 18
第三章 控制晶片概述與系統規劃 22
3.1 Arduino DUE (Atmel SAM3X8E Series)介紹 23
3.1.1 Arduino UNO和DUE在直流無刷馬達控制優異性 23
3.1.2 Arduino DUE (Atmel SAM3X8E)晶片功能 26
3.2 控制器架構 30
3.2.1 系統架構設計原則 30
3.2.2 系統架構圖 30
3.3 功能單元配置 36
3.3.1 換向時序單元 36
3.3.2 換向估速單元 41
3.3.3 速度迴授單元 49
3.3.4 脈波寬度調變單元 61
第四章 PI控制系統設計 69
4.1 PI控制器簡介 69
4.2 PI控制器方程式推導 69
4.3 PI控制器除法器優化 73
4.4 PI控制器方參數鑑定 75
第五章 實驗架構與實驗結果 77
5.1 實驗系統架構 77
5.2 實驗數據檢測 81
5.2.1直流無刷馬達驅動波形檢測 82
5.2.2 速度檢測 84
5.2.3 濾波器響應實驗 89
5.2.4 速度響應實驗 96
第六章 結論與未來研究 106
6.1 結論 106
6.2 未來研究 107
參考文獻 108
引用文獻 111
附錄 程式碼 113

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