臺灣博碩士論文加值系統

本文即以電動機車常用之無刷直流馬達當發電機配合昇壓型調節器，利用
強健控制理論如 合成設計( -Synthesis)理論配合馬達驅動及再生煞車
(Regenertive Braking)原理設計控制器同時比較其強健性能。
本研究以路況模擬，及再生煞車模擬等各系統架構來設計強健控制器。各
控制器則藉由個人電腦配合PCL-818l AD/DA資料截取卡來實現。
實驗結果顯示，經由DK疊代設計出的 控制器其模擬結果與實驗結果相
近，且在不同質量變動範圍內皆滿足強健性能的要求，且能量經由昇壓控制也
都能夠回充至電瓶。

Regenerative braking system of electric vehicle are uncertainty plants from
control viewpoint. The uncertainties come mainly from mass variation due to loading
conditions, system characteristics variations over the entire speed range, and motor
parameters. Two control systems are considered. One is the road simulation system
and the other is the regenerative braking system. The object of this study is to design
robust -optimal controller for the road simulation system. The controllers are
implemented using a personal computer and PCL-818L AD/DA data acquisition card.
Experimental results match the simulation results quite well and satisfy the
robust performance requirements in the range of mass perturbations. All the
regenerative energy from the Brushless DC Motor (BLDCM) is stored back to the
cells by a boost converter.

中文摘要 ……………………………………………………………………… I
英文摘要 ……………………………………………………………………… II
目錄 …………………………………………………………………………… III
圖表索引 ……………………………………………………………………… V
第一章 緒論 ………………………………………………………………… 1
1-1 再生煞車控制 ……………………………………………………... 1
1-2 研究主題 …………………………………………………………... 3
1-3 文章架構 …………………………………………………………... 4
第二章 永磁式直流無刷馬達介紹 ………………………………………… 5
2-1 功率電晶體的種類與特徵 .……………………………………….. 5
2-2 馬達用霍爾元件 …………………………………………………... 6
2-3 磁鐵轉子 …………………………………………………………... 6
2-4 永磁式直流無刷馬達 ……………………………………………... 7
2-4-1 無刷直流馬達 ……………………………………………………... 8
第三章 昇壓型調節器的介紹 ……………………………………………... 10
3-1 交換式調節器(Switching-Mode Regulator , SMR)的介紹 ……… 10
3-2 交換式調節器的基本型態 ………………………………………… 11
3-3 昇壓型調節器的基本操作原理 …………………………………… 12
3-3-1 昇壓型調節器連續導通模式之穩態分析 ………………………… 14
第四章 昇壓型調節器之基本設計理念 ……………………………………. 18
4-1 電感器大小的選擇 ……………………………………………….. 18
4-2 輸出漣波與電容、二極體、及功率元件的選擇 ………………… 20
4-3 電感器(inductor)的製作 …………………………………………… 21
第五章 電動機車傳動系統的模擬 …………………………………………. 25
5-1 CVT的作動原理 …………………………………………………... 25
5-2 無段變速系統CVT模型 ………………………………………….. 27
5-2-1 驅動皮帶輪 ………………………………………………………… 28
5-2-2 被驅動皮帶輪 ……………………………………………………… 29
5-2-3 傳動皮帶 …………………………………………………………… 32
5-3 變速理論 ………………………………………………………….. 32
5-4 路況模擬 …………………………………………………………… 33
第六章 強健控制理論 ………………………………………………………. 36
6-1 強健控制概念 ……………………………………………………… 36
6-2 結構化奇異值 ……………………………………………………… 39
6-3 -合成設計法 ……………………………………………………... 40
6-4 D-K疊代設計法 …………………………………………………… 41
第七章 強健控制器的設計 …………………………………………………. 43
7-1 系統鑑別 …………………………………………………………… 43
7-2 路況模擬的強健控制器設計 ……………………………………… 45
7-2-1 D-K疊代設計法 …………………………………………………… 47
7-2-2 系統模擬 …………………………………………………………… 49
7-3 煞車模擬的強健控制器設計 ……………………………………… 50
7-3-1 DK疊代設計法 ……………………………………………………. 52
7-3-2 煞車力與控制電壓的關係 ………………………………………… 54
7-3-3 系統模擬 …………………………………………………………… 54
第八章 實驗結果與討論 ……………………………………………………. 56
8-1 疊代控制器實驗結果 …………………………………………… 56
8-2 討論 ………………………………………………………………… 58
第九章 結論與未來與展望 …………………………………………………. 60
9-1 結論 ………………………………………………………………… 60
9-2 未來與展望 ………………………………………………………… 61
附錄 A ………………………………………………………………………... 62
A-1 實驗架構 …………………………………………………………... 62
A-2 RCD減震電路 …………………………………………………….. 63
A_3 PWM比較電路 …………………………………………………… 65
A-4 光耦合隔離電路 …………………………………………………... 65
A-5 電流量測電路 ……………………………………………………... 66
A-6 過電流保護電路 …………………………………………………... 68
參考文獻 ………………………………………………………………………. 70
圖表索引
頁次
圖1-1 實驗架構示意圖 ……………………………………………………… 3
表2-1 MOSFET與IGBT功率電晶體的特性比較 …………………………. 5
表2-2 各種磁石之優缺點比較及未來發展評估 …………………………… 6
圖2-1 內轉子型式 …………………………………………………………… 7
圖2-2 使用內轉子的無刷直流馬達 ………………………………………… 7
圖2-3 傳統DC電刷馬達與無刷DC馬達之比較 …………………………. 7
表2-3 直流馬達有刷與無刷之比較 ………………………………………… 8
圖2-4 三相方波PWM波寬調變波形 ……………………………………… 9
圖3-1 電源裝置的分類 ……………………………………………………… 10
圖3-2 降壓型調節器 ………………………………………………………… 11
圖3-3 昇壓型調節器 ………………………………………………………… 11
圖3-4 降-昇壓型調節器 …………………………………………………….. 12
圖3-5 昇壓型調節器 ………………………………………………………… 13
圖3-6 電晶體開關SW導通時之等效電路 ………………………………… 13
圖3-7 電晶體開關SW截止時之等效電路 ………………………………… 13
圖3-8 昇壓型調節器在CCM模式下之電壓波形 …………………………. 16
圖3-9 昇壓型調節器在CCM模式下之電流波形 …………………………. 17
圖4-1 為昇壓式調節器之邊界情形 ………………………………………… 19
圖4-2 昇壓型調節器在CCM模式下的漣波電壓 …………………………. 21
圖4-3 開磁路與閉磁路型 …………………………………………………… 22
圖4-4 將鐵心差入線軸的組合方式 (日字型) ……………………………… 23
圖4-5 等效磁路圖 …………………………………………………………… 23
圖5-1 低速狀態 (高減速比) ………………………………………………… 27
圖5-2 高速狀態 (低減速比) ………………………………………………… 27
圖5-3 離心滾子的自由體受力圖 ………………………………………….... 28
圖5-4 離心滾子的動態示意圖 ……………………………………………… 28
圖5-5 被動皮帶輪與可動面板之自由體圖 ………………………………… 29
圖5-6 被驅動輪可動面板的運動示意圖 …………………………………… 31
圖5-7 傳動皮帶長度示意圖 ………………………………………………… 32
圖5-8 電動機車所遭遇的實際路況示意圖 ………………………………… 33
圖6-1 受控系統本身的不確定性 …………………………………………… 36
圖6-2 標準回授組態 ………………………………………………………… 37
圖6-3 受控系統方塊圖 ……………………………………………………… 38
圖6-4 分析強健性之方塊圖 ………………………………………………… 38
圖6-5 D-K疊代設計法之演算流程圖 ……………………………………… 42
圖7-1 一階系統輸出入響應圖 ……………………………………………… 43
表7-1 系統轉移 ……………………………………………………………… 44
圖7-2 實際馬達輸入電壓 …………………………………………………… 44
圖7-3 實際馬達輸出轉速 …………………………………………………… 45
圖7-4 強健控制器架構 (路況部份) ………………………………………… 45
圖7-5 參考輸出及性能誤差權重函數 ……………………………………… 47
圖7-6 受控系統的 值 ……………………………………………………… 47
圖7-7 DK控制器 ……………………………………………………………. 48
圖7-8 控制器降階後之頻率響應圖 ………………………………………… 48
圖7-9 加了控制器(16階)之後的馬達系統轉速響 ………………………… 49
圖 7-10 加了控制器(2階)之後的馬達系統轉速響應 ……………………... 49
圖7-11 強健控制器架構 (煞車部份) ……………………………………….. 50
圖7-12 參考輸出及性能誤差權重函數 …………………………………….. 52
圖7-13 受控系統的 值 …………………………………………………….. 52
圖7-14 DK控制器 …………………………………………………………... 53
圖7-15 控制器降階後之頻率響應圖 ……………………………………….. 53
圖7-16 煞車力與控制電壓的關係圖 ……………………………………….. 54
圖7-17 煞車車速軌跡 ……………………………………………………….. 55
圖7-18 加了控制器之後的煞車車速響應 (m=190kg) ……………………... 55
圖8-1 加了控制器之後的再生煞車車速響應 (m=190kg) …………………. 56
圖8-2 加了控制器之後的再生煞車車速響應 (m=210kg) …………………. 56
圖A-1 實驗架構圖 …………………………………………………………... 62
圖A-2 inverter與BLDCM簡化示意圖 ……………………………………. 63
圖A-3 IGBT截止時所產生的突波電壓 ……………………………………. 63
圖A-4 RCD減震電路 ……………………………………………………….. 64
圖A-5 加了減震電路後所抑制的突波電壓波形 …………………………... 64
圖A-6 PWM比較電路 ………………………………………………………. 65
圖A-7 使用光隔離的隔離電路 ……………………………………………... 65
表A-1 環路型霍爾電流感測器重要規格 …………………………………... 66
圖A-8 環路型霍爾電流感測器 ……………………………………………... 66
圖A-9 實際電流量測電路 …………………………………………………... 67
圖A-10 實際過電流保護電路 ………………………………………………. 69

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