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研究生:張國明
研究生(外文):Kuo-ming Chang
論文名稱:永磁式馬達驅動器於電子式重量訓練機之設計與製作
論文名稱(外文):The Design and Implementation of a Permanent Magnet Synchronous Motor Drive for Electronic Weight Training Machine
指導教授:何子儀何子儀引用關係
指導教授(外文):Tze-Yee Ho
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:資訊電機工程碩士在職專班
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:138
中文關鍵詞:永磁同步馬達重量訓練機
外文關鍵詞:The weight-lifting machinePermanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)
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重量訓練機乃是指一種用來訓練肌耐力的機器設備,一般傳統的作法均使用密度較高的鐵或鉛等物質所製成的塊狀物,依搭載的數量及地心引力的作用來產生不同的牽引力,並以往復之動作達到訓練之效果。然而於訓練過程中如果沒有選用適當的重量片或是進行不適當的操作,則不但會得到反效果且容易造成運動傷害。因此,一種電子重量訓練機的概念被發展出來,利用控制馬達之輸出扭力來對抗使用者之拉力,並以程式控制手法達到最佳的訓練模式,同時可以紀錄與分析使用者之訓練過程與狀態,這是一般傳統的重量訓練機所無法達到。
本論文以單晶片微處理器為核心來設計永磁同步馬達驅動器,利用馬達所產生的扭力對抗使用者的拉力。驅動器的硬體包含AC/DC的轉換、變頻與驅動電路,使用霍爾元件及光編碼器作為感測及檢知馬達之轉子磁極位置與機械角度。使用正弦脈波調變技術產生三相弦波輸出電流,並達到降低漣波頓矩之目的,控制軟體使用C語言撰寫,並於Microchip的開發環境MPLAB下發展。最後,本論文順利完成一個可以使用於電子重量訓練機的驅動器及控制系統,其硬體電路與控制原理及實際舉重測試均驗證完成。
The weight-lifting machine is an exercise machine used for weight training. Conventional weight-lifting apparatus typically couple a stack of iron weights through a series of pulleys and levels to hand grips. The stack of iron weights are usually mounted on guide rods for vertical reciprocal movement from a rest position upwardly against gravity force to an upper position. Lifting of the weights is accomplished by the user who actuates a bar or other device operable connected to the weights. To vary the force opposing the user, the user is required to change the position of mechanical locking pin and physically add or remove weights from the stack. The time consuming and inconvenient to change the exercise force level between lifts, are some drawbacks for such a weight-lifting apparatus. To solve this problems, a closed-loop motor control system that can generate a user opposition force and more particularly simulate a weight stack, is proposed in this thesis.
In order to generate a torque to oppose the user force, a PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) drive controlling system based on a microcontroller is designed and implemented in this thesis. The hardware circuits of the PMSM drive, such as AC/DC rectifier, DC link, DC/AC inverter, Hall-effect position sensors and speed encoder, are well designed, simulated and implemented. The sinusoidal PWM technique is used to control the switching of the inverter in order to reduce the torque pulsation. The software programs are written in C language and programmed based on the MPLAB development tool by Microchip technology incorporate. Finally, a prototype of weight-lifting machine based on a PMSM drive controlling system is accomplished and demonstrated in this thesis.
摘 要 i
Abstract ii
目 錄 iii
圖 目 錄 viii
表 目 錄 xiv
符號說明 xv
第一章 、緒論 1
1.1 研究動機與目的 2
1.2 研究背景 3
1.3 文獻探討 6
1.4 研究方向 12
1.5 論文貢獻 13
1.6 章節概要 14
第二章 、永磁式馬達控制理論 15
2.1 永磁式馬達介紹 15
2.2 永磁式馬達模型架構 17
2.2.1 永磁式馬達數學等效模型推導 17
2.2.2 永磁式馬達感應電動勢 20
2.2.3 永磁式馬達電磁轉矩 23
2.3 座標軸轉換 24
2.4 三相永磁式馬達驅動器架構 29
2.4.1 三相六開關驅動方式 31
2.4.2 三相120°導通方式 32
2.4.3 三相180°導通方式 36
2.5 三相永磁式馬達轉子位置檢測 39
2.6 永磁式馬達轉矩漣波 42
第三章 、永磁同步馬達之控制理論 44
3.1 永磁式同步馬達控制架構 44
3.2 正弦波形調變控制方法 45
3.2.1 正弦脈寬調變(SPWM) 46
3.2.2 空間向量調變(SVPWM) 47
3.2.3 三相弦波產生方法 51
3.3 直接轉矩控制方法 54
3.4 PID控制法則 56
3.4.1 比例控制 57
3.4.2 積分控制 58
3.4.3 微分控制 59
第四章 、硬體電路設計與製作 63
4.1 規格與參數制訂 63
4.2 硬體系統架構 64
4.3 電路說明 71
4.3.1 電源輸入處理與緩啟動電路 71
4.3.2 功率驅動級電路 73
4.3.3 馬達電流偵測電路 75
4.3.4 高壓側電壓之偵測電路 76
4.3.5 功率元件之溫度偵測電路 78
4.3.6 閘極驅動電路 80
4.3.7 微處理器電路 82
4.3.8 風扇驅動電路 83
4.3.9 位置霍爾訊號及編碼器訊號輸入介面86
4.3.10 通訊介面電路 87
4.3.11 交換式電源轉換電路 88
第五章 、系統軟體架構 94
5.1 控制軟體系統架構 94
5.2 控制軟體說明 95
5.2.1 控制軟體主程式架構 96
5.2.2 控制程式初始化 96
5.2.3 中斷服務程式 96
5.2.4 緩啟動控制 100
5.2.5 三相弦波產生方法 101
5.2.6 轉速偵測 105
5.2.7 閉迴路控制軟體流程 105
5.2.8 電流感測器之直流準位補償 108
5.3 電腦端人機介面 109
5.3.1 控制指令定義與數值換算 110
5.3.2 迴授數據與顯示轉換 111
第六章 、實驗結果與討論 114
6.1 波形實測與討論 114
6.1.1 馬達本體訊號量測 115
6.1.2 系統啟始控制之電壓與電流波形 117
6.1.3 三相電壓與電流波形 118
6.1.4 直流高壓與NTC熱敏電阻隔離偵測 122
6.1.5 閉迴路控制之轉速與扭力量測 124
6.2 人機操作介面 129
第七章 、結論與展望 132
附錄A 137
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[3]Muniswamappa Anjanappa; Warren G. Miller., “Method of using and apparatus for use with exercise machine to achieve programmable variable resistance”, U.S Patent No.: 5569120 1994.
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[17]梁適安編譯,轉換式電源供給器原理與設計,全華科技圖書,民國77年2月二版。
[18]Fairchild Semiconductor Inc., Application Note AN4134 “Design Guidelines for Off-line Forward Converters”, Rev. 1.00, March 2004.
[19]Fairchild Semiconductor Inc., Application Note AN4147 “Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback”, Rev. 1.00, July 2005.
[20]Microchip Technology Inc., Application Note AN899 “Brushless DC Motor Control Using PIC18FXX31 MCUs”, 2004.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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