臺灣博碩士論文加值系統

本論文著重於使用脈衝寬度調變模擬弦波，在風扇馬達上進行驅動的控制，研究中使用三相八極型直流無刷馬達進行實驗。透過定子下方電路板上的三顆霍爾感測元件，依照擺放不同位置偵測轉子上八極磁鐵的極性，進而推算出轉子與定子相對應的角度，使驅動程式能夠精準掌握住電路的換相時間點。使用弦波驅動風扇能夠改善在方波驅動風扇下會產生的問題，並對兩者在相同的轉速下進行電流、噪音、震動測試，比較在不同的條件下何者為最佳的驅動方式。

In this study, pulse-width modulation is used to simulate the signals of a sine wave in driving a three-phase brushless DC motor with eight poles. Three hall sensors are placed on different locations on the circuit board under the stator, around which the rotor spins. The position of the rotor can be determined with the signals generated by the hall sensors during the spinning of the rotor. In a spinning cycle, the six positions of the rotor decide when phase changes occur and which MOSFETs to turn on and off in the circuit. This study compared the performances of the proposed sine-wave controller to a standard six-step square-wave controller regarding current, noise, and vibration.

目錄
摘要 i
ABSTRACT ii
目錄 iii
表目錄 vi
圖目錄 vii
一、緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 文獻探討 4
1.4 論文架構 5
二、開發軟體及硬體 6
2.1 CodeWarrior軟體 6
2.2 Altium Designer軟體 7
2.3 FRDM – KE04Z開發板 8
三、背景知識 9
3.1 霍爾感測器 9
3.2 電路架構 12
3.2.1 電壓轉換電路 12
3.2.2 三相驅動電路 13
3.2.3 方波MOSFET驅動原理 14
3.2.4 弦波MOSFET驅動原理 16
3.2.5 定子線圈 18
3.2.6 類弦波控制 19
四、實驗過程 21
4.1 電路板設計 21
4.2 程式解析 25
4.2.1 變數定義 25
4.2.2 MOSFET開通方式 25
4.3 方波程式量測 34
4.3.1 脈衝寬度調變調整 35
4.3.2 輸出功率調整 36
4.3.3 示波器量測 37
4.4 弦波程式量測 37
4.4.1 弦波電流呈現方式 38
4.4.2 輸出功率調整 38
4.4.3 弦波相電壓 40
4.4.4 弦波相電流 42
五、量測與分析比較 44
5.1 電流量測與比較 44
5.1.1 方波與弦波無載電流 44
5.1.2 方波與弦波有載電流 45
5.2 噪音量測與比較 47
5.2.1 方波與弦波無載噪音 47
5.2.2 方波與弦波有載噪音 48
5.3 震動量測與比較 49
5.3.1 方波震動 50
5.3.2 方波頻譜分析 50
5.3.3 弦波震動 53
5.3.4 弦波頻譜分析 54
六、結論與未來展望 58
6.1 結論 58
6.2 未來展望 58
參考文獻 59

表目錄
表格 1　霍爾感測器訊號輸出順序 11
表格 2　mask開通腳位對應 29
表格 3　霍爾感測器訊號順序與腳位切換 30
表格 4　弦波mask開通腳位對應 33
表格 5　弦波霍爾感測器訊號順序與腳位切換 34
表格 6　方波與弦波驅動電流比較 46
表格 7　方波與弦波驅動噪音比較 49

圖目錄
圖 1　類弦波電壓與電流呈現方式 3
圖 2　CodeWarrior軟體 6
圖 3　Altium Designer軟體 7
圖 4　FRDM – KE04Z 開發板 8
圖 5　霍爾感測器元件 9
圖 6　霍爾感測器擺放位置 10
圖 7　磁極切換與霍爾感測器輸出訊號 11
圖 8　三顆霍爾感測器偵測訊號 12
圖 9　電壓轉換電路 13
圖 10　三相驅動電路 14
圖 11　方波驅動MOSFET對應關係 15
圖 12　MOSFET與線圈連接方式 15
圖 13　方波驅動MOSFET完整對應關係 16
圖 14　弦波驅動開通兩組P型MOSFET 17
圖 15　弦波驅動兩組N型MOSFET關閉 17
圖 16　定子Delta繞線 18
圖 17　線圈繞線方向 19
圖 18　弦波波型 19
圖 19　弦波陣列 20
圖 20　弦波數值計算公式 20
圖 21　驅動外掛電路板 21
圖 22　外掛板焊接面 22
圖 23　電路板與開發板連接 22
圖 24　改良後外掛電路板 23
圖 25　風扇轉動的電壓與電流 23
圖 26　風扇電路板 24
圖 27　變數定義 25
圖 28　MOSFET開通順序 25
圖 29　動作流程-1 26
圖 30　動作流程-2 26
圖 31　霍爾感測器6組訊號 28
圖 32　MOSFET編號 31
圖 33　弦波MOSFET開通順序 32
圖 34　脈衝寬度調變與轉速對照圖 36
圖 35　輸出功率調整 36
圖 36　輸出功率與轉速對照圖 36
圖 37　方波相電壓與相電流 37
圖 38　弦波電流相位差 38
圖 39　弦波陣列 39
圖 40　弦波取值計算 39
圖 41　弦波功率輸出 39
圖 42　三相弦波電壓 40
圖 43　弦波相電壓-1 40
圖 44　弦波相電壓重疊-1 41
圖 45　弦波相電壓-2 41
圖 46　弦波相電壓重疊-2 42
圖 47　弦波相電流 42
圖 48　弦波相電流放大 43
圖 49　方波無載驅動電流 44
圖 50　弦波無載驅動電流 45
圖 51　方波有載驅動電流 45
圖 52　弦波有載驅動電流 46
圖 53　方波無載驅動噪音頻譜 47
圖 54　弦波無載驅動噪音頻譜 48
圖 55　方波有載驅動噪音頻譜 48
圖 56　弦波有載驅動噪音頻譜 49
圖 57　方波震動頻譜圖 50
圖 58　方波基頻訊號 51
圖 59　方波磁鐵產生震動 52
圖 60　方波磁鐵產生震動區間 52
圖 61　方波槽極產生震動區間 53
圖 62　弦波震動頻譜圖 54
圖 63　弦波基頻訊號 55
圖 64　弦波滾珠軸承產生震動 56
圖 65　弦波磁鐵產生震動 56
圖 66　磁鐵產生震動比較 57

[1]Liu Zhen (2014)，基于FRDM-KE04Z和Tower Board的 BLDC电机正弦波。
[2]藍健倫 (2011)，以單一霍爾感測器實現永磁同步馬達向量控制，國立台灣科技大學，碩士論文。
[3]鄭庠澤 ( 2009)，以FPGA 實現直流無刷馬達無位置感測控制，國立交通大學，碩士論文。
[4]詹文豪 (2009)，具有動態升壓之輕型電動載具用勇磁同步馬達驅動器研製，國立台北科技大學，碩士論文。
[5]林宏偉 (2007)，雙向風扇馬達的雙迴路開關轉速控制，國立中山大學，碩士論文。
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