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研究生:鍾政諺
研究生(外文):Cheng-Yen Chung
論文名稱:永磁同步馬達之無感測驅動器之研製
論文名稱(外文):Implementation of Sensorless Driver for the Permanent Magnet Synchronous Motor
指導教授:王朝興王朝興引用關係
指導教授(外文):Chau-Shing Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:電機工程學系
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:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:71
中文關鍵詞:永磁同步馬達無感測驅動反電動勢
外文關鍵詞:permanent magnet synchronous motorssensorless driverback-EMF
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永磁同步馬達有高效率及高轉矩的特性,故廣泛應用於家電電器,但此類馬達內部之霍爾元件易受溫度影響導致故障而提高維修成本,故許多研究再探討無感測技術,無需霍爾元件,希望能降低維修成本及減小馬達體積。無感測驅動技術最常利用的是反電動勢檢測法,此檢測法缺點在於低轉速時不易檢測。而本文以偵測馬達三相端電壓訊號替代霍爾訊號,直接針對端電壓進行濾波,再將三相訊號兩兩相減取得檢測訊號。本研究之無感測驅動架構核心為數位訊號處理器,週邊硬體包含保護驅動電路、換流器電路、轉速顯示電路及轉子位置偵測電路。
實驗中以不同轉速範圍與加載時進行檢測,檢測結果的波形都能與霍爾感測器的輸出波形同相,證明本研究方法能替代霍爾感測器達到無感測器驅動。
關鍵字:永磁同步馬達、無感測驅動、反電動勢
The permanent magnet synchronous motor features with high efficiency and high torque characteristic, so it is widely used in home appliances. Hall sensor, an important device inside the motor, is easily affected by high temperature and becomes failure. Therefore, sensorless technology is motivated to solve this problem. The most used method of sensorless technology is back-EMF detection method. Its disadvantage is that it is difficult to detect the back-EMF signal in low rotation speed. The sensorless driving system for the permanent magnet synchronous motors is built on a DSP as its core and contains protection circuit, the inverter circuit, the rotational speed display circuit and the rotor position detection circuit.
We test the proposed rotor position detection circuit in various rotational speed of the motor with load. The test result shows that the detected waveforms are almost in phase with the Hall sensor output waveforms. That prove the proposed method is feasible for sensorless driving system.

Keywords: permanent magnet synchronous motors, sensorless driver, back-EMF

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 內文大綱 9
第二章 永磁同步馬達 10
2.1 簡介 10
2.1.1 直流有刷馬達與永磁同步馬達 11
2.1.2 永磁同步馬達的構造 13
2.2 永磁同步馬達驅動方式 16
2.3 換相時機 22
第三章 無感測技術 24
3.1 啟動技術 25
3.1.1 開迴路啟動法 25
3.2 反電動勢之檢測法 26
第四章 系統架構 33
4.1 保護驅動電路 34
4.2 換流器電路 35
4.2.1 功率MOSFET閘極保護 35
4.2.2 MOSFET寄生震盪 37
4.2.3 切換雜訊 38
4.2.4 Snubber電路 39
4.3 轉速電路 40
4.4 DSP控制單元 41
4.5 轉子偵測電路 43
4.5.1 濾波電路之設計 43
4.5.2 轉子位置檢測電路 44
第五章 實驗結果 46
5.1 實驗設備 46
5.2 實驗規劃 48
5.3 實驗結果 49
5.3.1 不同轉速之實驗結果 54
5.3.2 固定RC值之實驗結果 58
5.3.3 小結 63
5.3.4 加載之實驗結果 64
5.3.5 瞬間加載之實驗結果 67
第六章 結論與未來工作 68
6.1 結論 68
6.2 未來工作 69
參考文獻 70


圖目錄
圖1.1 感應馬達與永磁同步馬達(表面、內嵌)之效率比較 1
圖1.2 端電壓與中性點之波形圖 3
圖1.3 端電壓之低通濾波器示意圖 4
圖1.4 三次諧波電壓檢測訊號說明圖 5
圖1.5 反電動勢積分法之示意圖 7
圖1.6 Damodharan及Vasudevan所提電路架構圖 8
圖2.1 直流馬達之剖面圖 11
圖2.2 有刷與永磁同步馬達的靜態特性與動態特性 12
圖2.3 永磁同步馬達內部構造圖 13
圖2.4 永磁同步馬達構造圖 14
圖2.5 霍爾元件動作示意圖 15
圖2.6 霍爾感測元件之輸出信號 16
圖2.7 永磁同步馬達變頻器架構 17
圖2.8 六步方波驅動之開關導通順序 18
圖2.9 六步方波驅動方式 20
圖2.10 120˚矩形波驅動時端電壓情況 21
圖2.11 反電勢與相電流同步問題 22
圖2.12 反電動勢與對應開關之波形圖 23
圖3.1 開迴路啟動法 26
圖3.2 使用ADC檢測反電動勢零交越點 27
圖3.3 利用比較器比較反電動勢與1/2VDC示意圖 28
圖3.4 反電動勢之中性點檢測法 29
圖3.5 反電動勢之中性點檢測法加入濾波電路 29
圖3.6 估測法架構圖 30
圖3.7 Damodharan及Vasudevan電路示意圖 30
圖3.8 本文提出之一級減法電路示意圖 31
圖3.9 端電壓相減與估測位置訊號關係圖 32
圖4.1 永磁同步馬達系統實驗架構 34
圖4.2 閘極保護Zener二極體 36
圖4.3 改善後的閘極保護Zener二極體 36
圖4.4 MOSFET的等效電路 37
圖4.5 寄生振盪的防止對策之電路 38
圖4.6 濾除雜訊之電路 38
圖4.7 電壓緩衝器類型 39
圖4.8 轉速顯示電路 40
圖4.9 eZdsp LF2407A板 42
圖4.10 eZdsp LF2407A方塊圖 42
圖4.11 一階低通濾波器之示意圖 44
圖4.12 一級減法電路架構圖 45
圖4.13 轉子位置檢測電路實體圖 45
圖5.1 永磁同步馬達無感測驅動實驗圖 47
圖5.2 濾波波形與過零點訊號示意圖 50
圖5.3 端電壓訊號圖 50
圖5.4 檢測訊號圖 51
圖5.5 四種PWM的切換策略 52
圖5.6 3700rpm之端電壓訊號 53
圖5.7 3700rpm之檢測訊號 54
圖5.8 370rpm之檢測波形 55
圖5.9 1100rpm之檢測波形 56
圖5.10 1900rpm之檢測波形 56
圖5.11 2600rpm之檢測波形 57
圖5.12 3700rpm之檢測波形 57
圖5.13 一階低通濾波器之頻率響應圖及相位響應圖 58
圖5.14 370rpm於固定RC之電壓波形 60
圖5.15 370rpm於固定RC之檢測波形 60
圖5.16 1900rpm於固定RC之電壓波形 61
圖5.17 1900rpm於固定RC之檢測波形 61
圖5.18 3700rpm於固定RC之電壓波形 62
圖5.19 3700rpm於固定RC之檢測波形 62
圖5.20 1000rpm,加載0.5kg之電壓波形 64
圖5.21 1000rpm,加載0.5kg之檢測訊號 65
圖5.22 2000rpm,加載0.5kg之電壓波形 65
圖5.23 2000rpm,加載0.5kg之檢測訊號 66
圖5.24 瞬間加載之實驗結果 67


[1]K. Iizuka, H. Uzuhashi, M. Kano, T. Endo and K. Mohri, “Microcomputer Control for Sensorless Brushless Motor”IEEE Trans. On Industry Applications, vol. IA-21, no. 4, pp. 595-601, 1985.
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[3]S. Ogasawara and H. Akagi, "An Approach to Position Sensorless Drive for Brushless DC Motors," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 27, pp. 928-933, Sept/Oct 1991.
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[14]陳益昇,「基於DSP之直流無刷馬達無感測驅動之研製」,國立彰化師範大學電機工程學系,碩士論文,民國97年。
[15]http://emotors.ncku.edu.tw/motor_learn/
[16]http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_sensor
[17]陳信源,「直流無刷馬達驅動器與控制系統之設計與研製」,碩士論文,國立彰化師範大學電機工程學系,民國96年。
[18]陳融生,「無量測直流無刷馬達控制系統設計與製作」,國立台灣科技大學電機工程學系碩士論文,民國94年5月。
[19]新華電腦,「TI DSP LF 2407A & MotorRun實作訓練」,台科大圖書股份有限公司,民國92年10月。
[20]J. Shao, “Direct Back EMF Detection Method for Sensorless Brushless DC(BLDC) Motor Drives,” Thesis at Virginia Polytechnic Institute and the State University, 2003.
[21]山崎浩,溫榮弘,「Power MOSFET應用技術」,全華書局,民國93年10月。

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