電動驅動輪牽引力控制與其馬達參數息息相關，本論文係以馬達軸對軸之連接方式，連接驅動馬達及負載馬達，精確量測驅動馬達於不同控制命令受不同負載，其電流、轉速及扭力之關係，並詳細記錄其變化，以建立馬達數據資料庫(Database)；並以負載馬達輸出不同扭矩模擬牽引力於不同之道路狀況，藉以提供驅動馬達牽引力控制所需之資訊。故本論文針對電動驅動輪之特性與牽引力間之關係，探討電動驅動輪於不同道路情況之特性及力學控制之能力，利用實際量測方式建立馬達數據資料庫，綜整與分析其關係及相關理論，建立馬達之電氣信號與牽引力間之相對關係，以該馬達之相關狀態回授，輔以適當控制法則(Control law)及控制邏輯(Control logic)，使驅動輪維持適當或最大之牽引力，利用數值模擬測試、驗證相關理論及控制策略，以增加車輛在行進間的安全性、操控性與穩定性。

The traction force control of electric wheel is related to the parameters of DC motor, this research connects DC motor to loading motor using shaft-to-shaft in-line placement and we precisely measure the changing behavior of DC motor under the various command of loading motor. As for building the Database of DC motor, we record the relationship between current, RPM and traction force under above circumstances. We use loading motor to output the different traction force simulation under the pattern of various road surfaces, these can provide information for the control of DC motor’s traction force.
Our research focus on the relationship between the characteristic of DC motor and traction force, discussing DC motor’s characteristic and mechanics control ability under the condition of different road surfaces. We summarize and analyze DC motor correlated theories, for instance, we build relative relation between DC motor’s electrical signal and traction force, and build Database through actual measurement.
Finally, we implement Control law and Control logic in driven single wheel of DC motor through the platform of actual testing, verifying correlated theories and control strategy for the enhancement of vehicle’s safety, stability and controllability.

中文摘要...................................................i
英文摘要..................................................ii
謝誌.....................................................iii
目錄......................................................iv
圖目錄...................................................vii
表目錄....................................................xv
第一章 緒論................................................1
1-1. 前言..................................................1
1-2. 研究動機與問題定義....................................3
1-3. 論文架構..............................................4
第二章 驅動輪相關理論與分析................................6
2-1. 滑差之定義............................................6
2-2. 理想滑差率............................................7
2-3. 車輛直線動力學........................................9
2-4. 永磁式馬達特性.......................................11
2-5. 馬達之脈波寬度調幅控制...............................13
第三章 數據量測系統.......................................15
3-1. 整合測試平臺.........................................15
3-2. 硬體裝置之規劃.......................................17
3-3. 微控制處理模組.......................................19
3-4. 軟體架構之配置.......................................23
3-5. 驅動馬達之特性量測...................................24
第四章 控制系統設計.......................................26
4-1. 控制策略研究.........................................26
4-2. 馬達驅動動態及其電流量測動態.........................28
4-3. 目標驅動馬達模式.....................................29
4-4. 道路模式.............................................30
4-5. 控制法則及控制邏輯...................................31
4-6. 類神經網路模式概述...................................33
4-7. 徑相基底函數類神經網路...............................36
第五章 增益值.............................................37
5-1. 增益值之選擇.........................................37
5-2. 增益值曲線最佳化(多項式函數).........................45
5-3. 增益值曲線最佳化(自然對數-自然指數)..................47
5-4. 增益值曲線最佳化(徑相基底函數類神經).................50
5-5. 增益值曲線最佳化(調整徑相基底函數類神經參數).........51
第六章 模擬結果...........................................53
6-1. 電動驅動輪牽引力控制之模擬...........................53
6-2. 牽引力控制之模擬(低滑差率線性區間)...................54
6-2-1. 增益值為多項式函數曲線之模擬結果...................55
6-2-2. 增益值為自然對數-自然指數曲線之模擬結果............63
6-2-3. 增益值為徑相基底函數類神經曲線之模擬結果...........70
6-2-4. 增益值為調整徑相基底函數類神經參數曲線之模擬結果...76
6-3. 牽引力控制之模擬 (高滑差率線性區間)..................84
6-3-1. 增益值為多項式曲線逼近之模擬結果...................85
6-3-2. 增益值為自然對數-自然指數曲線之模擬結果............93
6-3-3. 增益值為徑相基底函數類神經曲線之模擬結果...........97
6-3-4. 增益值為調整徑相基底函數類神經參數曲線之模擬結果..100
6-4. 牽引力控制之模擬 (靠近最大摩擦係數非線性區間).......104
6-4-1. 尋找最大或適當牽引力之狀況一模擬結果..............104
6-4-2. 尋找最大或適當牽引力之狀況二模擬結果..............113
6-4-3. 尋找最大牽引力之模擬結果..........................123
第七章 結論..............................................133
參考文獻.................................................135


圖目錄

圖1-1 實驗及控制研究之流程圖.......................................................5
圖2-1 車速與輪胎轉速間之示意圖.....................................................6
圖2-2 理想滑差率之範圍.............................................................8
圖2-3 不同路面之理想滑差率.........................................................8
圖2-4 滑差率與縱向力及側向力之特性.................................................9
圖2-5 電流-轉矩特性...............................................................11
圖2-6 直流永磁式馬達之等效電路....................................................12
圖2-7 工作週期示意圖..............................................................13
圖2-8 在PWM波形上Iav和Irms的電流差................................................14
圖3-1 數據量測系統模組............................................................16
圖3-2 數據量測系統實體............................................................16
圖3-3 IG-42GM馬達實體與其特性圖(IG-42GM Motor User’s Guide)......................17
圖3-4 BX230A-20S馬達實體與其特性圖(BX Motor User’s Guide)........................18
圖3-5 8645扭力計(Torque Sensor User’s Guide).....................................18
圖3-6 馬達控制器之腳位與功能(SMC04A Controller User’s Guide).....................19
圖3-7 INA138電路示意圖(INA138 Datasheet)..........................................20
圖3-8 目標驅動馬達數據量測之微控制處理模組佈線圖..................................22
圖3-9 目標驅動馬達數據量測之微控制處理模組實體圖..................................22
圖3-10 數據收集軟體介面........................................................23
圖3-11 目標驅動馬達特性數據量測值(提供電壓：12V)..................................25
圖4-1 牽引力控制之系統方塊圖......................................................27
圖4-2 目標驅動馬達模式............................................................29
圖4-3 道路1、道路2模式之摩擦係數與滑差率關係圖....................................30
圖4-4 控制器控制邏輯之流程圖......................................................32
圖4-5 計算增益值邏輯之流程圖......................................................33
圖5-1 增益值之選擇規格(道路斜率1之情況)...........................................37
圖5-2 道路1、道路2模式之斜率與滑差率關係圖........................................39
圖5-3 道路模式之不同斜率狀況......................................................39
圖5-4 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率11、10、9、8)............................40
圖5-5 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率7、6、5、4)..............................40
圖5-6 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率3、2、1、0.1)............................41
圖5-7 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率0.08、0.06、0.04、0.01)..................41
圖5-8 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率-0.01、-0.04、-0.05、-0.06)..............42
圖5-9 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率-0.08、-0.09、-0.1、-0.2)................42
圖5-10 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率-0.3、-0.4、-0.5、-0.6).................43
圖5-11 增益值依規格選擇之結果(道路模式斜率-0.7、-0.8、-0.9、-1)...................43
圖5-12 增益值之資料庫(增益值與斜率之關係).........................................44
圖5-13 增益值之多項式函數曲線結果(5階)............................................45
圖5-14 增益值之多項式函數曲線結果(14、17階).......................................46
圖5-15 正增益值之多項式函數曲線結果(11階).........................................46
圖5-16 負增益值之多項式函數曲線結果(11階).........................................47
圖5-17 正增益值取自然對數........................................................48
圖5-18 正增益值之自然對數並曲線最佳化.............................................48
圖5-19 正增益值之結果.............................................................49
圖5-20 負增益值之結果.............................................................49
圖5-21 正增益值之徑向基底函數類神經訓練結果.......................................50
圖5-22 負增益值之徑向基底函數類神經訓練結果.......................................51
圖5-23 正增益值之徑向基底函數類神經訓練結果(調整參數).............................52
圖5-24 負增益值之徑向基底函數類神經訓練結果(調整參數).............................52
圖6-1 模擬電動驅動輪行駛於不同道路與時間關係示意圖................................54
圖6-2 無牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖........................................55
圖6-3 多項式函數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖......................57
圖6-4 電動驅動輪牽引力的時間響應圖................................................59
圖6-5 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖..........................................59
圖6-6 電動驅動輪回授電流的時間響應圖..............................................60
圖6-7 電動驅動輪轉速的時間響應圖..................................................60
圖6-8 車輛速度的時間響應圖........................................................61
圖6-9 車輛加速度的時間響應圖......................................................61
圖6-10 滑差率的時間響應圖.......................................................62
圖6-11 增益值的時間響應圖.......................................................62
圖6-12 對數-指數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖......................63
圖6-13 電動驅動輪牽引力的時間響應圖...............................................65
圖6-14 電動驅動輪牽引力局部的時間響應圖...........................................66
圖6-15 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖.........................................66
圖6-16 電動驅動輪回授電流的時間響應圖.............................................67
圖6-17 電動驅動輪轉速的時間響應圖.................................................67
圖6-18 車輛速度的時間響應圖.......................................................68
圖6-19 車輛加速度的時間響應圖.....................................................68
圖6-20 滑差率的時間響應圖.......................................................69
圖6-21 增益值的時間響應圖.......................................................69
圖6-22 徑相基底函數類神經增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.............71
圖6-23 電動驅動輪牽引力的時間響應圖...............................................72
圖6-24 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖.........................................73
圖6-25 電動驅動輪回授電流的時間響應圖.............................................73
圖6-26 電動驅動輪轉速的時間響應圖.................................................74
圖6-27 車輛速度的時間響應圖.......................................................74
圖6-28 車輛加速度的時間響應圖.....................................................75
圖6-29 滑差率的時間響應圖........................................................75
圖6-30 增益值的時間響應圖........................................................76
圖6-31 調整徑相基底函數類神經參數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.....77
圖6-32 電動驅動輪牽引力的時間響應圖...............................................79
圖6-33 電動驅動輪牽引力局部的時間響應圖...........................................80
圖6-34 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖.........................................80
圖6-35 電動驅動輪回授電流的時間響應圖.............................................81
圖6-36 電動驅動輪轉速的時間響應圖.................................................81
圖6-37 車輛速度的時間響應圖.......................................................82
圖6-38 車輛加速度的時間響應圖.....................................................82
圖6-39 滑差率的時間響應圖.......................................................83
圖6-40 增益值的時間響應圖.......................................................83
圖6-41 無牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.......................................86
圖6-42 多項式函數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.....................87
圖6-43 電動驅動輪牽引力的時間響應圖...............................................89
圖6-44 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖.........................................90
圖6-45 電動驅動輪回授電流的時間響應圖.............................................90
圖6-46 電動驅動輪轉速的時間響應圖.................................................91
圖6-47 車輛速度的時間響應圖.......................................................91
圖6-48 車輛加速度的時間響應圖.....................................................92
圖6-49 滑差率的時間響應圖........................................................92
圖6-50 增益值的時間響應圖........................................................93
圖6-51 對數-指數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖......................94
圖6-52 電動驅動輪牽引力的時間響應圖...............................................95
圖6-53 電動驅動輪牽引力局部的時間響應圖...........................................96
圖6-54 增益值的時間響應圖........................................................96
圖6-55 徑相基底函數類神經增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.............98
圖6-56 電動驅動輪牽引力的時間響應圖...............................................99
圖6-57 增益值的時間響應圖........................................................99
圖6-58 調整徑相基底函數類神經參數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖....101
圖6-59 電動驅動輪牽引力的時間響應圖..............................................102
圖6-60 電動驅動輪牽引力局部的時間響應圖..........................................103
圖6-61 增益值的時間響應圖.......................................................103
圖6-62 調整徑相基底函數類神經參數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖....106
圖6-63 對數-指數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.....................107
圖6-64 電動驅動輪牽引力的時間響應圖..............................................109
圖6-65 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖........................................110
圖6-66 電動驅動輪回授電流的時間響應圖............................................110
圖6-67 電動驅動輪轉速的時間響應圖................................................111
圖6-68 車輛速度的時間響應圖......................................................111
圖6-69 車輛加速度的時間響應圖....................................................112
圖6-70 滑差率的時間響應圖.......................................................112
圖6-71 增益值的時間響應圖.......................................................113
圖6-72 調整徑相基底函數類神經參數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖....115
圖6-73 對數-指數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.....................116
圖6-74 電動驅動輪牽引力的時間響應圖..............................................119
圖6-75 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖........................................119
圖6-76 電動驅動輪回授電流的時間響應圖............................................120
圖6-77 電動驅動輪轉速的時間響應圖................................................120
圖6-78 車輛速度的時間響應圖......................................................121
圖6-79 車輛加速度的時間響應圖....................................................121
圖6-80 滑差率的時間響應圖.......................................................122
圖6-81 增益值的時間響應圖.......................................................122
圖6-82 調整徑相基底函數類神經參數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖....125
圖6-83 對數-指數增益值曲線牽引力控制之摩擦係數與滑差率關係圖.....................126
圖6-84 電動驅動輪牽引力的時間響應圖..............................................128
圖6-85 電動驅動輪轉速控制命令的時間響應圖........................................129
圖6-86 電動驅動輪回授電流的時間響應圖............................................129
圖6-87 電動驅動輪轉速的時間響應圖................................................130
圖6-88 車輛速度的時間響應圖......................................................130
圖6-89 車輛加速度的時間響應圖....................................................131
圖6-90 滑差率的時間響應圖.......................................................131
圖6-91 增益值的時間響應圖.......................................................132


表目錄

表3-1 標準控制器命令結構(SMC04A Controller User’s Guide).............20
表3-2 高精度模式控制命令結構(SMC04A Controller User’s Guide).........20
表3-3 微控制晶片硬體控制腳位定義......................................21
表6-1 圖6-2所標示點之狀態.............................................56
表6-2 圖6-3所標示各點處之狀態.........................................56
表6-3 圖6-12所標示各點處之狀態........................................64
表6-4 圖6-22所標示各點處之狀態........................................70
表6-5 圖6-31所標示各點處之狀態........................................77
表6-6 圖6-41所標示各點處之狀態........................................85
表6-7 圖6-42所標示各點處之狀態........................................87
表6-8 圖6-51所標示各點處之狀態........................................94
表6-9 圖6-55所標示各點處之狀態........................................97
表6-10 圖6-58所標示各點處之狀態.......................................100
表6-11 圖6-62所標示各點處之狀態.......................................105
表6-12 圖6-63所標示各點處之狀態.......................................107
表6-13 圖6-72所標示各點處之狀態.......................................115
表6-14 圖6-73所標示各點處之狀態.......................................117
表6-15 圖6-82所標示各點處之狀態.......................................125
表6-16 圖6-83所標示各點處之狀態.......................................126

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