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研究生:林琨閔
研究生(外文):Kun Min Lin
論文名稱:高功率直流無刷馬達驅動系統發展平台之研製
論文名稱(外文):Design and Implementation of High Power Brushless DC Motor Drive System
指導教授:張偉能
指導教授(外文):W. N. Chang
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電機工程學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
論文頁數:160
中文關鍵詞:直流無刷馬達數位信號處理器測試平臺
外文關鍵詞:BLDCDSPTest bed
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本文設計與實現一個22kW級高功率直流無刷馬達的驅動系統測試平臺,以做為新一代油電混合車中電力驅動子系統的功能測試平臺。本文中首先說明22kW級高功率直流無刷馬達的驅動架構,且介紹了TMS320F2812數位信號處理器(DSP)最小化獨立系統之研製以及在轉換器控制電路上的應用,其次說明此22kW直流無刷馬達之類比式與數位化開回路與閉迴路轉速控制器實現方法。本文最後實現一個22kW級高功率直流無刷馬達的驅動系統測試平臺雛型,並以實測結果驗證其功能。
The thesis designs and implements a 22 kW class brushless DC (BLDC) motor drive system test bed for hybrid electric vehicle (HEV) applications. First, the driving scheme of the BLDC motor is introduced. Then, a 22 kW BLDC motor test bed is built. Two Types of speed controller,analog controller based on operational amplifies and digital controller based on TMS320F2812, are designed and implemented for the BLDC. Finally, experimental results verify the functions of the 22 kW BLDC motor driving system test bed.
目 錄
第一章 緒論
1.1 研究動機及背景 ………………………………………….....1
1.2 章節概要 …………….…….………………………………….3
第二章 直流無刷馬達數學模式建立與馬達規格
2.1 直流無刷馬達規格…………………....…………………..….4
2.1.1 電動機反電勢與霍爾位置偵測回授訊號……………...6
2.1.2電動機性能曲線…………………………………………8
2.2.3發電性能………………………………………………..11
2.1 直流無刷馬達數學模式建立………………………………..13
第三章直流無刷馬達驅動系統設計
3.1 直流無刷馬達驅動原理…………………………………….16
3.1.1 180度驅動原理………………………………………...19
3.1.2 120度驅動原理………………………………………...22
3.1.3 六步方波操作之控制策略…………...……………….25
3.2 直流無刷馬達保護控制設計
3.2.1馬達相電流形式………………………………………..31
3.2.2過電流保護控制器設計………………………………..32
3.2.3異常電流保護控制器設計……………………………..34
3.3 IGBT閘極驅動電路……………………………………...…35
3.4 主電路連接材質設計………………………………………..36
3.5 直流無刷馬達緩衝電容器設計……………………………..38
3.6 直流無刷馬達閉迴路定轉速控制…………………………..45
第四章以DSP TMS320F2812為基礎數位控制器之研製
4.1 DSP TMS320F2812介紹
4.1.1 前言………………………………………………….…47
4.1.2 DSP TMS320F2812架構………………………………47
4.1.3 記憶體配置…………………………………….………50
4.1.4 C2000發展環境-Code Composer Studio………………57
4.2 DSP TMS320F2812內部控制暫存器
4.2.1 計時器(Timer)…………………………………………65
4.2.2 通用I/O埠(GPIO)…………………………………….67
4.2.3 類比/數位轉換器(ADC)………………………………73
4.2.4 脈波寬度調變(PWM)…………………………………78
4.2.5 捕捉器(CAPTURE)……………………………………81
4.3 DSP TMS320F2812 最小化系統硬體研製
4.3.1硬體架構介紹…………………………………………..85
4.3.2 電源供應電路………………………………………….86
4.3.3 週邊電路……………………………………………….87
4.3.4 佈線與硬體實現……………………………………….91
4.4以DSP TMS320F2812 實現BLDC轉速控制………………97
第五章 實測結果
5.1 前言 ………………………………………………..…….....98
5.2 直流無刷馬達位置回授信號測試 ………………………...98
5.3 類比驅動系統測試
5.3.1 類比驅動系統建立……………………………….......102
5.3.2 直流無刷馬達空載驅動測試………………………...105
5.3.3 直流無刷馬達加載驅動測試………………………...112
5.3.4 直流無刷馬達過電流保護測試……………………...116
5.3.5 直流無刷馬達定轉速閉迴路測試…………………...117
5.4 數位化驅動系統測試
5.4.1 數位化驅動系統建立……………………………...…122
5.4.2 數位化開迴路加載驅動測試………………………...127
第六章 總結與未來展望
6.1 總結 ……………………………………………………….135
6.2 建議 ……………………………………………………….136
參考文獻……………………………………………………………….137
附錄A 開迴路控制程式……………………………………………...139










圖目錄
圖 1.1.1 直流無刷電動機轉子結構…………………………………...2
圖 2.1.1 直流無刷馬達之位置回授訊號接線圖……………………...4
圖 2.1.2 1,000rpm之相反電動勢 、 、 …………………….....6
圖 2.1.3 1,000rpm之相反電動勢 ………………………………….6
圖 2.1.4 1,000rpm之線反電動勢 ………………………………….7
圖 2.1.5 1,000rpm之線反電動勢 與位置回授訊號 、 、 ....7
圖 2.1.6 驅動輸出轉矩對轉速特性曲線……………………………...8
圖 2.1.7 驅動輸出功率對轉速特性曲線……………………………...9
圖 2.1.8 驅動系統效率對轉速特性曲線……………………………...9
圖 2.1.9 直流無刷馬達轉速對功率及反電動勢關係曲線圖……….10
圖 2.1.10 直流無刷馬達轉速對轉矩及反電動勢關係曲線圖…….....10
圖 2.1.11 發電輸入轉矩對轉速特性曲線…………………..……..….11
圖 2.1.12 發電輸出功率對轉速特性曲線…………………..……..….12
圖 2.1.13 發電系統效率對轉速特性曲線…………………..……..….12
圖 2.2.1 直流無刷馬達等效電路圖………………………………….13
圖 3.1.1 直流無刷馬達驅動系統架構圖…………………………….16
圖 3.1.2 BLDC驅動系統架構示意圖……………………………….17
圖 3.1.3 BLDC驅動系統電路圖…………………………………….18
圖 3.1.4 直流無刷馬達180度導通順序…………………………….21
圖 3.1.5 直流無刷馬達120度導通順序…………………………….24
圖 3.1.6 直流無刷馬達之反電動勢( )與理想輸入電流( )
區間對照圖………………………………………………….25
圖 3.1.7 直流無刷馬達之六步方波控制下a相反電動勢及其電流與
霍爾原件信號之對照圖:(a) a相反電動勢 ;(b) 理想電
流 ;(c) a相霍爾元件信號 ;(d) b相霍爾原件信號 ;
(e) c相霍爾原件信號 ……………………..……..……...26
圖 3.1.8 PWM波形圖………………………………………………..27
圖 3.1.9 以硬體方式完成120度導通之觸發脈波產生電路………..29
圖 3.1.10 120度導通電路實測波形圖………………………………..30
圖 3.2.1 馬達三相電流波形…………...…...………. …….…....…....31
圖 3.2.2 過電流保護操作波形………...…...………. …….…....…....32
圖 3.2.3 過電流保護電路實現………...…...………. …….…....…....33
圖 3.2.4 異常電流保護電路實現……...…...………. …….…....…....34
圖 3.3.1 IGBT閘極驅動電路…….....……….....……....…...........…..35
圖 3.4.1 使用一般多股絞線時,在輸出6kW的實測波形...........…..36
圖 3.4.2 使用扁平式銅質匯流排下輸出6kW實測波形...........…….37
圖 3.5.1 主電路未加裝緩衝電容實測波形…….….……....….....…..38
圖 3.5.2 以IGBT元件合成主電路圖…….………..……....….....…..39
圖 3.5.3 1.5 下輸出10kW的實測波形….....……....…...........…..41
圖 3.5.4 1 下輸出10kW的實測波形….....……....…...............….42
圖 3.5.5 0.5 下輸出10kW的實測波形….....……....…............….44
圖 3.6.1 直流無刷馬達閉迴路定轉速控制電路圖:(a)轉速對電壓轉
換電路;(b)轉速對電壓轉換操作波形圖;(c) 類比式P-I轉
速控制器合成電路圖。…….….….…....…........….....……...46
圖 4.1.1 TMS320F2812功能方塊圖….....……....…............………...48
圖 4.1.2 TMS320F2812 記憶體配置圖(Memory Map) .......……….50
圖 4.1.3 建立專案圖….....……....…............………………………...57
圖 4.1.4 Project Creation視窗圖.…............………………………....57
圖 4.1.5 加入檔案圖.…............……………………………………...58
圖 4.1.6 檔案類型圖.…............……………………………………...58
圖 4.1.7 檔案圖.…............…………………………………………...59
圖 4.1.8 記憶體配置圖.…............…………………………………...59
圖 4.1.9 暫存器位址圖…............…………………………………....60
圖 4.1.10 DSP程式撰寫例.……………………….....……………......60
圖 4.1.11 Customize視窗圖………………………..……………........61
圖 4.1.12 水平工具列圖............…………………………………........61
圖 4.1.13 成功訊息視窗圖………………………..……………..........62
圖 4.1.14 錯誤訊息視窗圖………………………..……………..........62
圖 4.1.15 Debug工具列圖………………………..……………..........62
圖 4.1.16 View觀察工具列圖………………………..…………….....63
圖 4.1.17 暫存器內容圖............…………………………………........64
圖 4.2.1 CPU-計時器功能方塊圖.......................................................65
圖 4.2.2 CPU-計時器中斷信號與輸出信號方塊圖...........................66
圖 4.2.3 GPIO/週邊接腳多工示意圖..................................................68
圖 4.2.4 類比/數位轉換器(ADC)功能方塊圖....................................73
圖 4.2.5 類比/數位轉換器(ADC)單排序器模式................................76
圖 4.2.6 類比/數位轉換器(ADC)雙排序器模式................................77
圖 4.2.7 PWM波形產生圖..................................................................78
圖 4.2.8 比較單元啟動PWM電路功能方塊圖.................................79
圖 4.2.9 EVA捕捉單元(CAPTURE)方塊圖.......................................82
圖 4.2.10 EVB捕捉單元(CAPTURE)方塊圖.......................................83
圖 4.3.1 3.3伏與1.8伏電源轉換電路………………………….........87
圖 4.3.2 PLL鎖相電路............………………………………….........87
圖 4.3.3 CLK電路............…………………………………................88
圖 4.3.4 Reset電路............…………………………………...............88
圖 4.3.5 JTAG電路............…………………………………...............89
圖 4.3.6 模式選擇電路...............………………………………..........90
圖 4.3.7 eZdsp TMS320F2812測試板電路圖…………………..........91
圖 4.3.8 測試板原型實體完成圖………………….............................92
圖 4.3.9 DSP TMS320F2812 最小化系統電路連接圖(.sch檔) .......93
圖 4.3.10 DSP TMS320F2812 最小化系統雙層板佈線圖(.pcb檔)...94
圖 4.3.11 DSP TMS320F2812 Minimal System雙層板之3D立體圖.94
圖 4.3.12 TMS320F2812 Minimal System雕刻機刻製雙層板圖........95
圖 4.3.13 DSP TMS320F2812 Minimal System雙層板之成品圖........95
圖 4.3.14 DSP TMS320F2812 Minimal System雙層板之成品圖........96
圖4.4.1為BLDC數位化驅動系統架構圖.............................................97
圖 5.2.1 500rpm時,反電動勢( )與霍爾訊號( )之波
形圖.........................................................................................99
圖 5.2.2 1000rpm時,反電動勢( )與霍爾訊號( )之
波形圖.....................................................................................99
圖 5.2.3 1,500rpm時,反電動勢( )與霍爾訊號( )之
波形圖...................................................................................100
圖 5.2.4 1,800rpm時,反電動勢( )與霍爾訊號( )之波形圖...................................................................................100
圖 5.3.1 直流無刷馬達整體測試系統架構方塊圖...........................103
圖 5.3.2 直流無刷馬達測試臺實體照(左邊:20hp複激式直流馬達,
右邊:20kW直流無刷馬達) ...............................................103
圖 5.3.3 主控制器實照圖...................................................................104
圖 5.3.4 類比控制器實照圖...............................................................104
圖 5.3.5 整體架構實體圖...................................................................105
圖 5.3.6 BLDC空載測試之轉速與反電動勢關係...........................107
圖 5.3.7 BLDC帶動空載直流機測試之轉速與反電動勢關係.......107
圖 5.3.8 500rpm時,直流無刷馬達空載實測波形............................108
圖 5.3.9 1,000rpm時,直流無刷馬達空載實測波形.......................108
圖 5.3.10 1,500rpm時,直流無刷馬達空載實測波形........................109
圖 5.3.11 1,800rpm時,直流無刷馬達空載實測波形........................109
圖 5.3.12 500rpm時,直流無刷馬達帶動空載直流機實測波形......110
圖 5.3.13 1,000rpm時,直流無刷馬達帶動空載直流機實測波形....110
圖 5.3.14 1,500rpm時,直流無刷馬達帶動空載直流機實測波形....111
圖 5.3.15 1,800rpm時,直流無刷馬達帶動空載直流機實測波形....111
圖 5.3.16 輸入2.56kW波形………………………………...…….....112
圖 5.3.17 輸入5.93kW波形………………………………...….…....113
圖 5.3.18 輸入14.79kW波形………………………………......…....113
圖 5.3.19 輸入18.08kW波形……………………………….....….....114
圖 5.3.20 輸入20.96kW波形……………………………….....….....114
圖 5.3.21 輸入17.89kW波形……………………………….....….....116
圖 5.3.22 輸入20.8kW波形…………………..…………….....….....117
圖 5.3.23 切入S1負載(Pin=7.39kW)波形…..…………….....….......118
圖 5.3.24 切入S2負載(Pin=12.4kW)波形…..………..…….....….....118
圖 5.3.25 切入S3負載(Pin=15.96kW)波形..………..…..….....….....118
圖 5.3.26 切入S4負載(Pin=17.7kW)波形..………..…....….....….....119
圖 5.3.27 切入S5負載(Pin=19.85kW)波形..………..…..….....….....119
圖 5.3.28 切入S1負載(Pin=7.39kW)波形..………..…..….....….......119
圖 5.3.29 切入S2負載(Pin=12.4kW)波形..………..…..….....….......120
圖 5.3.30 切入S3負載(Pin=15.96kW)波形………..…..….....….......120
圖 5.3.31 切入S4負載(Pin=17.7kW)波形..………..…..….....….......121
圖 5.3.32 切入S5負載(Pin=19.85kW)波形………..…..….....….......121
圖 5.4.1 為數位化驅動系統架構圖………..…..…............…...........122
圖 5.4.2 為數位化控制系統實照圖……..…..…............…....….......123
圖 5.4.3 P4/P8/P7 I/O 介面示意圖 (Interface) ............…....….......124
圖 5.4.4 P5/P9 類比介面示意圖 (Analog Interface) ....…....…......126
圖 5.4.5 開迴路流程圖....…....…........…....…....…....…....…....…...127
圖 5.4.6 開迴路程式時序圖....…........…....…....…....…....…....…...128
圖 5.4.7 輸入2.91kW波形....…........…....…....…....…....……..…...132
圖 5.4.8 輸入5.6kW波形....…........…....…....…....…....……...…...132
圖 5.4.9 輸入15.4kW波形..…........…....…....…....…....……...…...133
圖 5.4.10 輸入17.9kW波形..…........…....…....…....…....……...…...133
圖 5.4.11 輸入19.98kW波形…........…....…....…....…....……...…...134


表目錄
表 2.1.1 18kW直流無刷馬達規格……..…..….....…...........................5
表 3.1.1 霍爾感測元件位置偵測回授訊號區間編碼.........................28
表 3.1.2 直流無刷馬達正轉時之功率開關狀態.................................28
表 4.1.1 週邊框架0對照表(Peripheral Frame 0) ...............................51
表 4.1.2 PIE中斷向量對照表(PIE Vector) .........................................52
表 4.1.3 週邊框架1對照表(Peripheral Frame 1) ...............................54
表 4.1.4 週邊框架2對照表(Peripheral Frame 2) ...............................54
表 4.1.5 Flash位址(Flash address) ......................................................55
表 4.2.1 計時器與控制相關暫存器.....................................................64
表 4.2.2 GPIO相關多工暫存器...........................................................71
表 4.2.3 GPIO相關資料暫存器...........................................................72
表 4.2.4 類比/數位轉換器(ADC)相關暫存器....................................75
表 4.3.1 JP1對照表..............................................................................90
表 4.3.2 JP7, JP8, JP11, JP12對照表...................................................90
表 5.3.1 直流無刷電動機空載與輕載測試時 之Duty與轉速關
係106....................................................................................106
表 5.3.2 加載下實測數據...................................................................115
表 5.4.1 GPIOA與週邊功能(Peripheral Frame2)設定對照表.........123
表 5.4.2 GPIOB與週邊功能(Peripheral Frame2)設定對照表..........124
表 5.4.3 P4/P8 I/O接點(connectors) .................................................125
表 5.4.4 P5/P9 類比介面接點 (Analog Interface connector) ..........126
表 5.4.5 開迴路程式所使用暫存器的動作與說明...........................129
表 5.4.6 BLDC加載實測數據...........................................................134
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