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研究生:張尚文
研究生(外文):Shang-Wen Chang
論文名稱:隨機脈波寬調變技術在微步進馬達控制之研究
論文名稱(外文):Study of Random Frequency Pulse Width Modulation in Microstepping Motor Control
指導教授:莊智清莊智清引用關係
指導教授(外文):Jyh-Ching Juang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:電機工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:隨機脈波寬調變微步進馬達
外文關鍵詞:RFPWMmicrostepping motor
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近年來,許多電子產品如光碟燒錄機或彩色繪圖機等均要求有精細的位置控制。傳統直流馬達已不能符合產品的要求,步進馬達則由於具有固定角度移動量及靜止力矩的特性受到重視。但步進馬達所移動的角度量仍嫌太大,為了要達到更精細的定位,必須將原先移動的角度量再做細步切割。雖然市面上已有專屬微步進驅動器的晶片,但本篇論文以數位訊號處理方式來設計步進馬達微步進驅動器,並且與市面上的微步進驅動器之間的差異做比較。微步進驅動設計可採用弦式脈波寬調變方式,但此舉會產生固定的頻率階波成份,進而造成步進馬達噪音的增加,機械性振動,溫度上升等不良的影響。本篇論文提出隨機脈波寬調變的方式藉以降低上述的干擾現象。並藉由模擬的方式驗證隨機脈波寬波調變於微步進控制的可行性。
In recent years, many high technology products such as CD-RW or full-color graph plotter are in need of accurate position control. The stepping motors, due to their constant degree increment and static torque, have become attractive. However, stepping motors are subject to large step angle in position control. To achieve fine positioning, microstepping techniques can be used. The thesis develops a DSP-based microstepping technique. Furthermore, to reduce acoustic noise and mechanical vibration, random frequency pulse width modulation (RFPWM) is proposed. It is shown, through simulation, that the proposed RFPWM microstepping control method can achieve fine positioning and reduced harmonic distortion.
目錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 viii
第一章、 緒論 1

第二章、 步進馬達的介紹與微步進理論分析 4
2.1 步進馬達的介紹 4
2.1.1 步進馬達的起源及演進 4
2.1.2 步進馬達的優越性 5
2.1.3 步進馬達的分類 5
2.2 步進馬達的運轉原理 7
2.2.1轉矩發生的機構 7
2.2.2步進馬達的運轉原理 8
2.3 步進馬達的驅動技術 11
2.4 微步進驅動理論的分析 14

第三章、 微步驅動器的實作與分析 22
3.1 定電流截波式驅動器 22
3.2 使用數位訊號處理器DS1102做微步驅動器的實作與分析 25
3.2.1 數位訊處理器的介紹 25
3.2.2 DS1102浮點式DSP介面卡 26
3.2.3軟體發展與操作環境 28
3.3 以DS1102實現微步進技術 30
3.3.1 弦式脈波寬調變技術 31
3.3.2 微步進驅動器的實作 32
3.3.3 微步進馬達的實現與分析 34

第四章、 隨機脈波寬調變的理論分析與模擬 42
4.1 弦式脈波寬調變之頻譜分析及傅立葉級數 42
4.2 隨機脈波寬調變的技術介紹與實作 46
4.3 隨機脈波寬調變技術在Matlab下的頻譜模擬分析 50

第五章、 結論 56
參考文獻 58
附錄A 61

圖目錄

圖 1.1 光碟燒錄機背面圖 3
圖 2.1.1 VR型步進馬達剖面圖 6
圖 2.1.2 PM型步進馬達剖面圖 6
圖 2.1.3 混合型步進馬達剖面圖 7
圖 2.2.1 磁作用力模型圖 8
圖 2.2.2 可變磁阻式步進馬達剖面圖 9
圖 2.2.3 永久磁鐵式步進馬達剖面圖 10
圖 2.2.4 混合式步進馬達之剖面構造圖 11
圖 2.2.5 混合式步進馬達之展開模型圖 11
圖 2.3.1 步進馬達的方塊圖 11
圖 2.3.2 驅動電路的方塊圖 12
圖 2.3.3 PM型4相馬達之繞線構造 12
圖 2.3.4 單極驅動電路 13
圖 2.3.5 雙極驅動電路 14
圖 2.4.1 電流與轉矩向量間的關係 14
圖 2.4.2 理想的靜止轉矩特性 15
圖 2.4.3 PM型步進馬達模型 16
圖 2.4.4 傳統驅動器所得轉矩-角度圖 21
圖 2.4.5 微步進驅動器所得轉矩-角度圖 21
圖 3.1.1 定電流截波式微步驅動器電路圖 23
圖 3.1.2 IC BD7902CFS輸入與輸出三角波對應圖 24
圖 3.1.3 IC BD7902CFS輸入與輸出階波正弦波對應圖 24
圖 3.2.1 DSP輸入輸出訊號轉換圖 25
圖 3.2.2 DS1102內部結構圖 28
圖 3.2.3 DS1102RTI控制面板圖示 29
圖 3.2.4 MATLAB/dSPACE軟體發展流程 30
圖 3.3.1 正弦波、三角載波及SPWM訊號關係訊號圖 31
圖 3.3.2 產生SPWM訊號電路結構圖 32
圖 3.3.3 橋式驅動電路 33
圖 3.3.4 橋式驅動器的輸入訊號圖 34
圖 3.3.5 DS1102建構微步進馬達的硬體發展實體圖 35
圖 3.3.6 實現微步進馬達的軟/硬體架構圖 35
圖 3.3.7 實現微步進效果的MATLAB/SIMULINK控制程式 36
圖 3.3.8 DS1102微步進馬達即時控制介面 37
圖 3.3.9 十微步進效果的電流波形 38
圖 3.3.10 十微步進效果的輸入電壓與輸出電流關係圖 38
圖 3.3.11 橋式驅動器中輸入三角波電壓與輸出電流之關係圖 39
圖 3.3.12 電感串聯電阻的充放電之關係圖 39
圖 3.3.13 SPWM訊號與輸出電流之關係圖(一) 40
圖 3.3.14 SPWM訊號與輸出電流之關係圖(二) 41
圖 3.3.15 實際量測橋式驅動器中的SPWM訊號與輸出電流 41
圖 4.1.1 SPWM頻譜分析圖 43
圖 4.1.2 實際量測SPWM頻譜分析圖 43
圖 4.1.3 IC BD7902CFS定電流截波式微步進驅動器之頻譜分佈圖 44
圖 4.1.4 具左右對稱性的SPWM波形 45
圖 4.2.1 隨機頻率三角載波產生器 47
圖 4.2.2均勻分佈隨機變數與三角載波頻率對應圖 47
圖 4.2.3 10bit PRBS產生器 48
圖 4.2.4 隨機頻率三角載波產生器硬體架構圖 49
圖 4.2.5 產生RFPWM之邏輯比較圖 49
圖 4.2.6 產生RFPWM之邏輯實作架構圖 50
圖 4.3.1 使用MATLAB/SIMULINK產生RFPWM訊號圖 51
圖 4.3.2 各訊號之間關係圖(一) 52
圖 4.3.3 各訊號之間關係圖(二) 53
圖 4.3.4 各訊號之間關係圖(三) 53
圖 4.3.5 SPWM與RFPWM的頻譜分析比較 55
圖 4.3.6 不同頻率範圍之RFPWM比較圖 55
圖 A.1 National/Panasonic 15S1F11F之步進馬達 62
圖 A.2.1 2SB834 63
圖 A.3.1 2SD880 66

表目錄

表 A.2.1電晶體工作最大額定值 63
表 A.2.2溫度特性 64
表 A.2.3截止特性 64
表 A.2.4工作特性(1) 65
表 A.2.5動態特性 65
表 A.2.6切換特性 65
表 A.3.1電晶體工作最大額定值 66
表 A.3.2溫度特性 67
表 A.3.3截止特性 67
表 A.3.4工作特性(1) 68
表 A.3.5動態特性 68
表 A.3.6切換特性 68
參考文獻

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[21] 陳熹棣,步進馬達應用技術,全華科技圖書公司,民75。
[22] 許溢适,步進馬達原理與應用,全華科技圖書公司,民73。
[23] 林傳生,Matlab之使用與應用,儒林圖書公司,民 89。
[24] 蒙以正,MATLAB5專業設計技巧,�眳p資訊股份有限公司,民87。
[25] 鈦思科技股份有限公司,視覺化建模環境 Simulink入門與進階,民90。
[26] 林家宏,電動機轉數控制,文笙書局,民81。
[27] 江炫樟,電力電子學 Power Electronics,全華科技圖書公司,民90。
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