臺灣博碩士論文加值系統

本文探討無刷直流馬達應用於電動車動力系統之轉矩控制，針對電動車之動力特性需求，設計適合的轉矩控制模式，使馬達的輸出特性具有類似機械CVT的功能。首先，本研究對此轉矩控制器提出三種補償方法，以達到動力系統所需之輸出轉矩。一為相位超前補償，控制電流相位使其與反電動勢同相；二為反電動勢補償，消除反電動勢對轉矩控制器的影響；三則為電流迴路增益補償，解決馬達轉速增加時，系統非線性所造成的系統增益降低現象。再者，電動車之動力系統需有較大轉速範圍，本文則採用相位超前控制使馬達在中低轉速區間有較大的轉矩輸出，在高轉速區間則採用弱磁控制，使馬達有更高的極速表現。控制器之實現，採用新一代的DSP微處理器，發展數位控制實驗基台，並以實驗結果驗證理論的正確性與實用性。

This thesis presents a high-performance torque control system applied to brushless motors for electric vehicles, with the aim of achieving output characteristics similar to that of Continuously Variable Transmissions. Three compensated methods are used in the proposed torque controller, the first of these methods is the phase advance control, which controls the stator phase currents to in-phase the back EMF. The second method is back EMF compensation, which can avoid the disturbance of the back EMF. The third method uses current loop gain compensation, which varies the control gain based on motor speed and is used because of the nonlinear characteristics of the system. Then, the brushless motors applied to the electric vehicles requiring wide-speed operation. In this thesis, the phase advance control technique is adopted to get more torque output in the low speed range, and a field weaken control which uses more phase shift to weaken the magnetic flux of the motor in order to achieve wide rang of motor speeds. Finally, a fully digital control scheme is proposed to improve overall performance and to verify the experimental results correspond to the theoretical analysis.

第一章 緒論
1.1前言…………………………………………………………1
1.2研究背景與發展動向………………………………………2
1.3 研究方向與系統描述………………………………………6
1.4本文架構……………………………………………………7
第二章 電動車馬達簡介
2.1 電動車用動力馬達…………………………………………9
2.1.1 電動車用動力馬達種類………………………………9
2.1.2 馬達特性之比較評估……………………………………10
2.2 永磁無刷馬達及其控制……………………………………16
2.2.1 無刷馬達之分類…………………………………………17
2.2.2 埋入式永磁無刷直流馬達………………………………18
2.3 電動機車馬達………………………………………………21
2.3.1 馬達規格…………………………………………………22
2.3.2 馬達構造及特點…………………………………………23
2.3.3 馬達驅動方式……………………………………………24
第三章 電動車控制架構與電流控制器
3.1 傳動系統……………………………………………………30
3.1.1 單段變速系統……………………………………………30
3.1.2 多段變速系統……………………………………………30
3.1.3 無段變速系統……………………………………………34
3.2 電動機車之控制架構………………………………………37
3.3 電流控制器…………………………………………………40
3.3.1 相位超前補償……………………………………………42
3.3.2 反電動勢補償……………………………………………44
3.3.3 電流迴路增益補償………………………………………46
第四章 相位控制器與轉矩規劃
4.1 轉速估測器…………………………………………………48
4.2 相位超前控制………………………………………………50
4.2.1 汽油引擎之相位超前控制………………………………50
4.2.2 永磁無刷馬達之相位超前控制…………………………52
4.3 弱磁控制……………………………………………………56
4.3.1 他激式馬達之弱磁控制…………………………………57
4.3.2 無刷馬達弱磁控制………………………………………59
4.4 轉矩命令轉換……………………………………………68
第五章 系統規劃與量測
5.1 量測系統規劃………………………………………………72
5.2 系統韌體架構………………………………………………76
5.3 實驗量測與分析……………………………………………80
5.3.1 馬達定子線圈阻抗量測…………………………………80
5.3.2 馬達特性量測……………………………………………83
5.3.3 馬達相位控制特性量測…………………………………94
5.3.4 轉矩控制量測……………………………………………98
第六章 結論與建議
參考文獻
表目錄
表1-1 1998 EVS-14國際電動車會議展示電動車各項性能比較…..4
表1-2 國內外電動機車發展近況比較表…………………………….5
表2-1 馬達的優劣順序對電動車之影響…………………………....15
表4-1 正常操作下之霍爾訊號與激磁時序…………………………54
表4-2 大幅度相位超前所採用之霍爾訊號與激磁時序……………55
圖目錄
圖2-1 車輛動力性能要求曲線圖……………………………………11
圖2-2 SPM型與IPM型轉子……………………………………..…17
圖2-3 IPM轉子結構設計……………………………………………18
圖2-4 弱磁控制對轉矩-轉速特性曲線之影響……………………...19
圖2-5 IPM轉子之磁路分析結果……………………………………20
圖2-6 BLDC與SR馬達轉矩-轉速特性曲線比較圖………………20
圖2-7 電流相位與轉矩關係圖………………………………………21
圖2-8 電動機車馬達外觀……………………………………………22
圖2-9 電動機車馬達剖面詳圖………………………………………23
圖2-10 電動機車馬達定子結構圖…………………………………..24
圖2-11 電動機車馬達轉子結構圖…………………………………..24
圖2-12 馬達轉子與霍爾元件位置圖………………………………...25
圖2-13 霍爾輸出訊號及其邏輯碼…………………………………..25
圖2-14 BLDCM與驅動級示意…………………………………….…26
圖2-15 切換時序與定子旋轉磁場方向……………………………..27
圖2-16 電氣轉矩與三相電壓、反電動勢關係圖…………………..27
圖2-17 馬達轉速1500 rpm時之線反電動勢與霍爾訊號……….…28
圖3-1 離心式離合器構造圖…………………………………………31
圖3-2 超越離合器構造及其符號圖…………………………………32
圖3-3 行星齒輪式有段變速器之示意圖……………………………33
圖3-4 定軸齒輪式有段變速器………………………………………33
圖3-5 CVT構造簡圖…………………………………………………34
圖3-6 CVT作動情形………………………………………………...35
圖3-7 被驅動皮帶輪結構圖…………………………………………36
圖3-8 機車之CVT行車效率圖…………………………………….…37
圖3-9 變速系統之行車性能曲線……………………………………38
圖3-10 電動車之控制器架構圖……………………………………...39
圖3-11 IP電流控制器……………………………………………….40
圖3-12 IP控制器之電流迴路方塊圖……………………………….42
圖3-13 IP電流控制器與馬達控制方塊圖………………………….44
圖3-14 具有反電動勢補償之電流迴路方塊圖……………………...45
圖3-15 電流迴路增益補償…………………………………………..46
圖4-1 以DSP之Capture單元讀取霍爾訊號……………………….49
圖4-2 轉速估測示意圖……………………………………………...50
圖4-3 汽油引擎正確點火時的燃燒過程…………………………....51
圖4-4 引擎點火正時與燃燒室內壓力的關係……………………....51
圖4-5 永磁無刷馬達基本模型……………………………………....52
圖4-6 電壓相位提前對電流的影響………………………………....53
圖4-7 電動車馬達之反電動勢與霍爾訊號對位圖………………....54
圖4-8 電壓超前角之調控原理……………………………………....55
圖4-9 永磁無刷直流馬達操作範圍………………………………....56
圖4-10 他激式馬達與轉速特性曲線………………………………..57
圖4-11 d-q軸轉換法之轉子參考座標圖………………………….…59
圖4-12 IMP型PMSM相圖………………………………………….63
圖4-13 電動車動力範圍之決定……………………………………..68
圖4-14 基準轉速先決模式之轉矩命令轉換圖……………………..69
圖4-15 最大功率先決模式轉矩命令轉換圖………………………..70
圖5-1 泛用型馬達動力量測設備規劃圖…………………………....72
圖5-2 馬達量測架構實體照片之一………………………………....73
圖5-3 皮帶輪規格選配公式………………………………………....74
圖5-4 TMS320C240/F240之架構圖…………………………………77
圖5-5 MCK240方塊圖…………………………………………….…78
圖5-6 電動機車馬達配合MCK240之開迴路方塊圖……………...79
圖5-7 二端與四端阻抗量測技術…………………………………....81
圖5-8 馬達定子線圈之線間電感量測與轉子位置關係圖………....82
圖5-9 馬達轉矩－轉速關係曲線…………………………………...84
圖5-10 馬達輸出功率－轉速關係曲線……………………………..84
圖5-11 馬達效率－轉速關係曲線…………………………………..85
圖5-12 馬達轉矩－電流關係曲線…………………………………..86
圖5-13 馬達轉速1500rpm時之線反電動勢……………………….88
圖5-14 （a）Duty 0.6及轉矩30kg-cm時之三相合成電流……….91
（b）Duty 0.6及轉矩30kg-cm時U相電流…………….…91
圖5-15 （a）Duty 0.6及轉矩45kg-cm時之三相合成電流……….92
（b）Duty 0.6及轉矩45kg-cm時U相電流……………….92
圖5-16 （a）Duty 0.6及轉矩50kg-cm時之三相合成電流……….93
（b）Duty 0.6及轉矩50kg-cm時U相電流……………表目錄
表1-1 1998 EVS-14國際電動車會議展示電動車各項性能比較…4
表1-2 國內外電動機車發展近況比較表…………………………5
表2-1 馬達的優劣順序對電動車之影響………………………15
表4-1 正常操作下之霍爾訊號與激磁時序……………………54
表4-2 大幅度相位超前所採用之霍爾訊號與激磁時序………55
圖目錄
圖2-1 車輛動力性能要求曲線圖………………………………11
圖2-2 SPM型與IPM型轉子………………………………………17
圖2-3 IPM轉子結構設計…………………………………………18
圖2-4 弱磁控制對轉矩-轉速特性曲線之影響…………………19
圖2-5 IPM轉子之磁路分析結果…………………………………20
圖2-6 BLDC與SR馬達轉矩-轉速特性曲線比較圖………………20
圖2-7 電流相位與轉矩關係圖……………………………………21
圖2-8 電動機車馬達外觀…………………………………………22
圖2-9 電動機車馬達剖面詳圖……………………………………23
圖2-10 電動機車馬達定子結構圖………………………………24
圖2-11 電動機車馬達轉子結構圖………………………………24
圖2-12 馬達轉子與霍爾元件位置圖……………………………25
圖2-13 霍爾輸出訊號及其邏輯碼………………………………25
圖2-14 BLDCM與驅動級示意……………………………………26
圖2-15 切換時序與定子旋轉磁場方向…………………………27
圖2-16 電氣轉矩與三相電壓、反電動勢關係圖………………27
圖2-17 馬達轉速1500 rpm時之線反電動勢與霍爾訊號………28
圖3-1 離心式離合器構造圖……………………………………31
圖3-2 超越離合器構造及其符號圖……………………………32
圖3-3 行星齒輪式有段變速器之示意圖………………………33
圖3-4 定軸齒輪式有段變速器…………………………………33
圖3-5 CVT構造簡圖……………………………………………34
圖3-6 CVT作動情形……………………………………………35
圖3-7 被驅動皮帶輪結構圖……………………………………36
圖3-8 機車之CVT行車效率圖…………………………………37
圖3-9 變速系統之行車性能曲線………………………………38
圖3-10 電動車之控制器架構圖…………………………………39
圖3-11 IP電流控制器……………………………………………40
圖3-12 IP控制器之電流迴路方塊圖……………………………42
圖3-13 IP電流控制器與馬達控制方塊圖………………………44
圖3-14 具有反電動勢補償之電流迴路方塊圖…………………45
圖3-15 電流迴路增益補償………………………………………46
圖4-1 以DSP之Capture單元讀取霍爾訊號………………………49
圖4-2 轉速估測示意圖……………………………………………50
圖4-3 汽油引擎正確點火時的燃燒過程…………………………51
圖4-4 引擎點火正時與燃燒室內壓力的關係……………………51
圖4-5 永磁無刷馬達基本模型……………………………………52
圖4-6 電壓相位提前對電流的影響………………………………53
圖4-7 電動車馬達之反電動勢與霍爾訊號對位圖………………54
圖4-8 電壓超前角之調控原理……………………………………55
圖4-9 永磁無刷直流馬達操作範圍………………………………56
圖4-10 他激式馬達與轉速特性曲線………………………………57
圖4-11 d-q軸轉換法之轉子參考座標圖……………………………59
圖4-12 IMP型PMSM相圖……………………………………………63
圖4-13 電動車動力範圍之決定……………………………………68
圖4-14 基準轉速先決模式之轉矩命令轉換圖……………………69
圖4-15 最大功率先決模式轉矩命令轉換圖………………………70
圖5-1 泛用型馬達動力量測設備規劃圖…………………………72
圖5-2 馬達量測架構實體照片之一………………………………73
圖5-3 皮帶輪規格選配公式………………………………………74
圖5-4 TMS320C240/F240之架構圖………………………………77
圖5-5 MCK240方塊圖……………………………………………78
圖5-6 電動機車馬達配合MCK240之開迴路方塊圖……………79
圖5-7 二端與四端阻抗量測技術…………………………………81
圖5-8 馬達定子線圈之線間電感量測與轉子位置關係圖………82
圖5-9 馬達轉矩－轉速關係曲線…………………………………84
圖5-10 馬達輸出功率－轉速關係曲線……………………………84
圖5-11 馬達效率－轉速關係曲線…………………………………85
圖5-12 馬達轉矩－電流關係曲線…………………………………86
圖5-13 馬達轉速1500rpm時之線反電動勢………………………88
圖5-14 （a）Duty 0.6及轉矩30kg-cm時之三相合成電流………91
（b）Duty 0.6及轉矩30kg-cm時U相電流……………………91
圖5-15 （a）Duty 0.6及轉矩45kg-cm時之三相合成電流………92
（b）Duty 0.6及轉矩45kg-cm時U相電流……………………92
圖5-16 （a）Duty 0.6及轉矩50kg-cm時之三相合成電流…………93
（b）Duty 0.6及轉矩50kg-cm時U相電流……………………93
圖5-17 相位控制之馬達轉矩－轉速關係曲線……………………96
圖5-18 相位控制之馬達輸出功率－轉速關係曲線………………96
圖5-19 相位控制之馬達效率－轉速關係曲線……………………97
圖5-20 相位控制之馬達轉矩－電流關係曲線……………………97
圖5-21 相位控制之馬達電流－轉速關係曲線……………………98
圖5-22 轉矩閉迴路程式流程圖……………………………………99
圖5-23 （a）基準轉速先決模式轉矩控制轉矩－轉速量測圖……101
（b）最大功率先決模式轉矩控制之轉矩－轉速量測圖……101
圖5-17 相位控制之馬達轉矩－轉速關係曲線……………………96
圖5-18 相位控制之馬達輸出功率－轉速關係曲線………………96
圖5-19 相位控制之馬達效率－轉速關係曲線……………………97
圖5-20 相位控制之馬達轉矩－電流關係曲線……………………97
圖5-21 相位控制之馬達電流－轉速關係曲線……………………98
圖5-22 轉矩閉迴路程式流程圖……………………………………99
圖5-23 （a）基準轉速先決模式轉矩控制轉矩－轉速量測圖……101
（b）最大功率先決模式轉矩控制之轉矩－轉速量測圖…101

[1] Chan, C. C., " Novel Wide Range Speed Control of Permanent Magnet Brushless Motor Drives, " IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 10, No. 5, pp39-546, 1995.
[2] Chan, C. C., " Novel Permanent Magnet Motor Drives for Electric Vehicles," IEEE Trans. on industrial Electronics, Vol. 43, No. 2, pp331-339,1996.
[3] Chan, C. C., and K. T. Chau, "An Advanced Permanent Magnet Motor Drive System for Battery-Powered Electric Vehicles," IEEE Trans. on Vehicular Technology, VOL. 45, NO. 1, pp180-188, February 1996.
[4] FANUC LTD., "FANUC AC Servo Unit (Digital) Maintenance Manual," FANUC LTD., pp308-311 August 1987.
[5] Jahns, T. M., "Flux-Weakening Regime Operation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive," IEEE Trans. on Industry Applications, VOL. IA-23, NO. 4, pp681-689, July/August 1987.
[6] Krause, Paul C., "Analysis of Electric Machinery," McGraw-Hill, Inc., 1986.
[7] Krause, Paul C. , "Electromechanical Motion Devices," McGraw-Hill, Inc., 1989
[8] Miller T. J. E and J. R. Gendershot Jr., "Design of Brushless Permanent-Magnet Motors," Oxford University Press Inc., New York, 1994.
[9] Novotny, D. W. and T. A. Lipo, "Vector Control and Dynamics of AC Drives," Oxford University Press Inc., New York, 1996.
[10] Pillay, P., and R. Krishnan, "Modeling, Simulation, and Analysis of permanent-Magnet Motor Drives, Part I: The Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 25, No. 2, pp265-273, March/April 1989.
[11] Pillay, P., and R. Krishnan, "Modeling, Simulation, and Analysis of permanent-Magnet Motor Drives, Part II: The Brushless DC Motor Drive," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 25, No. 2, pp274-279, March/April 1989.
[12] Ryosou Masaki and Sanshiro Obara, "A Torque Controller Suitable for Electric Vehicles," IEEE Trans. on Industrial Electronics, VOL. 44, NO. 1, pp54-63, February 1997.
[13] Sneyers, B., D. W. Novotny and T. A. Lipo, "Field Weakening in Buried Permanent Magnet AC Motor Drives," IEEE Trans. on Industry Applications, VOL. IA-21, NO. 2, pp398-407, March/April 1985.
[14] Sen, P. C., "Principles of Electric Machines and Power Electronics," John Wiley & Sons, Inc., pp180-218, 1989.
[15] Shigeo Morimoto, Masayuki Sanada and Yoji Takeda, "Wide-Speed Operation of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors with High-Performance Current Regulator," IEEE Trans. on Industry Applications, VOL. 30, NO. 4, pp920-926, July/August 1994.
[16] Soong, W. L., "Field-Weakening Performance of Brushless Synchronous AC Motor Drives," IEE Proc. - Electr. Power Applications, Vol. 141, No. 6, pp331-340, November 1994.
[17] Shinji Kogure, Yasutomo Kawabata, Ekji Yamada, Akihiko Kanamori, "Development of Motor Control Technology for Electric Vehicles," EVS 14,1997.
[18] Technosoft S.A., "MCK240 - TMS320F240 DSP Motion Control Kit User Manual," Technosoft S.A., 1997.
[19] Texas Instruments Inc., "TMS320C24x DSP Controller - Reference Set," Vol. 1, Texas Instrument Inc., 1997.
[20] Texas Instruments Inc., "TMS320C24x DSP Controller - Reference Set," Vol. 2,Texas Instrument Inc., 1997.
[10] Texas Instrument Inc., "DSP Solutions for BLDC Motors," Application Report #BRA055, Texas Instrument Inc., 1997.
[22] Texas Instrument Inc., "Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive using TMS320F240," Application Report #BRA064, Texas Instrument Inc., 1997.
[23] Texas Instrument Inc., "Implementation of PID and Deadbeat Controllers with the TMS320 Family," Application Report #SPRA083, Texas Instrument Inc., 1997.
[24] Texas Instrument Inc., "Measuring the Period of an Input Square Wave Using the TMS320F240 EVM," EVM Application #SPRA415, Texas Instrument Inc., 1997
[25] 方振洲, "暸解阻抗量測技術," 量測資訊, 第9期, pp20-30, 民國78.
[26] 邱澄杉, "汽車原理," 三民書局, pp101-130, 民國73年.
[27] 周怡宏, "機車動力系統設計技術手冊 II. 傳動系統 3.機車CVT變速系統," 工研院機械所, pp335-361, 民國80年.
[28] 林學成, "機車二速及三速自動變速器之設計與分析的研究," 碩士論文, 國立成功大學機械工程研究所,民國86年.
[29] 黃樹林, "現代汽車電子點火裝置," 正工出版社, pp80-98, 民國79年.
[30] 黃朝顯, "無刷直流馬達在電動機車應用之控制設計 ,"碩士論文, 國立成功大學機械工程研究所, 民國86年.
[31] 經濟部工業局, "電動車輛產業發展與推廣出國研修報告（EVS-14