臺灣博碩士論文加值系統

根據滑動模態控制理論，本論文設計出具強健轉速控制器及量化電流調整器去達成無刷直流馬達的變頻器控制，然後再以數位信號處理器(DSP)為架構核心並整合變頻器驅動技術，一個全數位化無刷直流馬達的驅動模組被設計出，去完成高性能轉速控制。在外在干擾作用下，驅動模組將達成良好的轉速及電流追蹤響應。經由模擬及實測結果證明，提出的混合式控制方法具有同時控制馬達轉速及電流響應的優勢，相較與傳統脈波寬度調變的PID控制器，可獲得更為精確的馬達轉速控制。

Based on sliding-mode control theory, this thesis proposes an integrated design of robust speed controller and quantized current regulator to achieve the control of inverter for BLDC motor. Moreover, using Digital Signal Processor (DSP) as well as the proposed inverter technology as the control kernel, a fully digital drive module of Brushless DC motor (BLDC) is robustly designed to achieve the high-performance speed control. Under the influence of system disturbances, the designed drive module can obtain a good tracking response for speed and current control. According to the simulation and experimental studies, the proposed hybrid control strategy can simultaneously achieve the objective for the speed and current control of BLDC motor. Compared with traditional pulse-width modulation (PWM) based PID control, the better speed control performance can be conducted by the provided approach.

摘要(中) i
摘要(英) i
誌謝 ii
目錄 iii
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 2
1.4 章節內容 4
第二章 無刷直流馬達與控制驅動方式 5
2.1 介紹有刷直流馬達與無刷直流馬達 5
2.1.1 介紹有刷直流馬達. 5
2.1.2 介紹無刷直流馬達. 7
2.2 無刷直流馬達控制基本架構 9
2.2.1 無刷直流馬達驅動原理. 10
2.2.2 判別換相時機. 15
2.2.3 PWM介面技術. 17
2.2.4 轉速控制架構. 17
第三章 無刷直流馬達數學描述與模擬 19
3.1 無刷直流馬達數學描述 19
3.1.1 三相系統數學模型. 19
3.1.2 等效為直流馬達並設計控制方塊圖 21
3.2 無刷直流馬達開迴路動態模擬特性 23
3.2.1 模擬方塊建構 25
3.2.2 模擬無刷直流馬達開迴路響應圖 31
第四章 設計量化電流調整器及強健轉速控制器與模擬 37
4.1 滑動模態基楚理論簡介 37
4.1.1 介紹滑動條件. 38
4.1.2 介紹迫近條件. 39
4.2 量化控制理論簡介 40
4.2.1 選取滑動面. 41
4.2.2 成立滑動及迫近條件. 43
4.2.3 取滑動面為切換指標. 45
4.2.4 W1與W2的選取. 46
4.3 設計量化電流調整器 47
4.3.1 針對無刷直流馬達選取適當W1與W2. 48
4.3.2 探討穩定性. 49
4.3.3 數位量化電流調整器. 52
4.4 設計轉速控制器 55
4.4.1 等效控制輸出設計. 57
4.4.2 積分型滑動面常數選取. 58
4.4.3 迫近控制輸出設計. 58
4.4.4 引入邊界層概念. 59
4.4.5 數位轉速控制器. 60
4.5 模擬分析 62
4.5.1 量化電流調整器模擬與測試. 62
4.5.2 量化電流調整器結合強健轉速控制器模擬與測試. 68
第五章 實驗系統規劃與結果 73
5.1 硬體架構 76
5.1.1 數位信號處理器. 77
5.1.2 變頻電路. 86
5.1.3 電流保護電路. 88
5.1.4 CAN通訊之介面. 89
5.2 韌體架構 90
5.2.1 換相及轉速程式撰寫. 93
5.2.2 量化電流調整器程式撰寫. 94
5.2.3 強健轉速控制器程式撰寫. 96
5.2.4 系統變數格式轉換. 96
5.3 實驗結果 97
5.3.1 內層電流調整架構. 97
5.3.2 整體控制架構. 100
第六章 結論與未來方向 102
6.1 結論 102
6.2 未來改進與方向 102
參考文獻 104

[1] S. H. Yu and J. S. Hu, “Analysis and design of a single-bit noise-shaping quantizer,”Proceedings of the American Control Conference, vol. 2, pp. 1631-1636, 2003.
[2] S. H. Yu, “Analysis and design of sigma-delta modulators using the theory of sliding modes,”International Conference on Signals and Electronic Systems, vol. 14, pp. 91-94, 2004.
[3] S. H. Yu and C. I. Huang, “Voltage regulator modules with double-loop relay feedback control,”IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems, vol. 2, pp. 1563-1565, 2005.
[4] S. H. Yu, “Sliding-mode quantized control: reference tracking and noise attenuation,”Submitted to IEEE Transactions on Automatic Control, 2005.
[5] S. H. Yu and M. H. Tseng, “Use of Sliding-mode Modulation in Switch-Mode Power Amplification,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, pp. 4022-4028, 2008.
[6] Microchip, dspIC30F Family Reference Manual, Microchip, 2003.
[7] R.Krishnan，Electric Motor Drives : Modeling, Analysis, and Control,Pearson Education Taiwan Ltd, 2007。
[8] Y. Liu, Z. Q. Zhu, and D. Howe, “Direct torque control of brushless dc drives with reduced torque ripple ” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 41, no. 2, pp. 599–608, 2005.
[9] U. Itkis, Control Systems of Variable Structure, New York: John Wieley, 1976.
[10] V. I. Utkin, Sliding Modes and Their Application in Variable Structure Systems, Moscow: MIR publishers, 1978.
[11] C. M. Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery Using Matlab/Simulink, Pearson Education Taiwan Ltd, 1998.
[12] G. Bartolini, E. Punta, and T. Zolezzi, “Simplex methods for nonlinear uncertain sliding-mode control ” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 49, no. 6, pp. 922–933, 2004.
[13] J. Ackermann, and V. Utkin, “Sliding mode control design based on Ackermann’s formula ” IEEE Trans on Automatic Control, vol. 43, no. 2, pp. 234–237, 1998.
[14] K. D. Young, V. I. Utkin and U. Ozguner, “A control engineer’s guide to sliding mode control ” IEEE Trans on Control Systems Technology, vol. 7, no. 3, pp. 328–342, 1999.
[15] J. Salmon, L. Wang, N. Noor, and A. W. Krieger, “A carrier- based unipolar PWM current controller that minimizes the PWM-cycle Average current-error using internal feedback of the PWM signals ” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 22, no. 5, pp. 1708–1718, 2007.
[16] J.-J. E. Slotine and W. Li, Applied nonlinear control, Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1991.
[17] A. Derdiyok, M. K. Guven, N. Inanc, H.-U. Rehman and L. Xu, “A DSP-based indirect field oriented induction machine control by using chattering-free sliding mode” Proceedings of the IEEE 2000 National Aerospace and Electronics Conference, pp. 568-573, 2000.
[18] V. I. Utkin, “Sliding mode control design principles and applications to electric drives” IEEE Transactions on Industrial Electronics. vol. 40, no. 1, pp. 23–36, 1993.
[19] 周育勝，直流無刷馬達智慧型模組之整合設計及控制，正修科技大學電機工程研究所碩士論文，2008。
[20] 施威銘，TURBO C 語言實務, 旗標出板有限公司, 1997。
[21] 陳正義，劉立強，嵌入式控制器程式設計與實務, 全華科技圖書股份有限公司, 2005。
[22] 曾百由，dsPIC數位訊號控制器原理與應用 MPLAB C30開發實務, 宏友圖書, 2005。
[23] 陳融生，無量測器直流無刷馬達控制系統設計與製作，國立臺灣科技大學電機工程研究所碩士論文，2005。
[24] 劉昌煥，交流電機控制, 東華書局, 2001。
[25] 林法正，魏榮宗，電機控制, 滄海書局, 2002。
[26] 王景弘，無量測器直流無刷馬達控制與模擬，國立臺灣科技大學電機工程研究所碩士論文，2005。
[27] 洪乾財，改良式順滑模態控制於液壓伺服系統之研究，國立雲林科技大學機械工程研究所碩士論文，2005。
[28] 賴玲瑩，直流無刷馬達之適應模糊滑動模式位置控制，中原大學電機工程研究所碩士論文，2003。