臺灣博碩士論文加值系統

摘要
直流無刷馬達因為高效率及高轉矩的特性，使其被廣泛的應用於伺服驅動系統，並利用電子電路代替傳統直流馬達的碳刷及整流子，使其能夠高速運轉並且增加系統的可靠性。通常，為了使馬達能順暢的轉動，直流無刷馬達驅動器需要位置感測器提供適當的換相順序訊號，但感測器安裝不僅會增加馬達的成本及體積，而且降低系統的強健性。因此如何在沒有感測器的狀況下，完成馬達驅動變為一重要的課題。
本研究主要的目的為實現直流無刷馬達無感測驅動器的研製，藉由數位訊號處理器配合系統電路、驅動及保護電路等周邊電路的設計完成直流無刷馬達驅動器。本論文以Toshiba公司所生產的TMP88CS43晶片做為數位訊號處理器，其為專門設計為馬達控制的晶片，幫助我們更方便完成馬達控制。在馬達轉子位置偵測方面，當馬達以 導通控制時，其定子三相線圈在任何時刻僅有兩相線圈會有電流流過，而藉由偵測未導通相反電動勢的零交越點，再將此訊號延遲 ，便可做為馬達換相的依據，而此訊號便可代替霍爾元件等感測器偵測到的換相訊號。
根據實驗，在不同轉速下比較無感測電路偵測到的零越點訊號與霍爾感測器的換相訊號，證明了轉速在1800轉到6000轉之間，本研究設計的無感測電路可以取代霍爾感測器。因此，完成直流無刷馬達無感測驅動的目標。

Abstract
Brushless DC motors are receiving much attention for drive application because of their high efficiency and high torque. BLDC motors can rotate in high speed and increase reliability of the system because they are without brush and commutator. Generally the drive for the BLDC motor requires a position sensor for providing proper commutaion sequence to turn on motor smoothly. But the sensor increases the cost and size of the motor, and it will reduce the robustness of system. So it becomes important in how to drive motors without sensors.
This study is dedicated to design sensorless drivers of the BLDC motor. The drivers are combined digital signal processor (DSP) with peripheral circuits, which include power system, drive and protect circuits. The chip TMP88CS42 that is produced by TOSHIBA contain programmable motor driver. And it is easier for us to drive motor. When the motor is driven by 120° conduction, the current flows in only two phase at any time, leaves the third motor terminal floating. The zero crossing of back EMF of the floating phase can be detected to determine the commutation sequence without Hall sensors.
According to compare signal of sensorless circuit with signal of Hall sensor, it proves that the sensorless drivers of the BLDC motor can be in place of Hall sensor, and completes our objective.

目 錄

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅵ
第一章 緒論
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 章節組織與大綱 4
第二章 直流無刷馬達介紹
2.1 直流無刷馬達基本架構 5
2.2 直流無刷馬達的控制迴路架構 8
2.3 座標轉換 9
2.4 馬達動態方程式 12
第三章 直流無刷馬達無感測器驅動研究
3.1 前言 17
3.2 轉子位置偵測方式 17
3.3 無感測器啟動策略 25
3.4 反電動勢的檢測 27
第四章 數位訊號處理器
4.1 前言 32
4.2 TMP88CS43介紹 33
4.3 馬達控制電路 35
第五章 直流無刷馬達驅動器研製與實驗結果
5.1 前言 47
5.2 IGBT模組 48
5.3 系統電源 49
5.4 驅動電路 53
5.5 電流偵測及保護電路 55
5.6 無感測電路 57
5.7 實驗結果 60
第六章 結論 64
參考文獻 65

圖目錄
圖2.1 直流無刷馬達結構 5
圖2.2 變頻器驅動馬達電路圖 7
圖2.3 (a)120°導通情形(b)180°導通情形 7
圖2.4 直流無刷馬達系統方塊圖 9
圖2.5 座標轉換 10
圖2.6 直流馬達等效電路圖 13
圖2.7 直流無刷馬達系統方塊圖 16
圖2.8 直流無刷馬達系統方塊圖 16
圖3.1 直流無刷馬達分析模型 18
圖3.2 狀態觀測器 20
圖3.3 三次諧波波形圖 22
圖3.4 PWM off時電流流動圖 24
圖3.5 端電壓與反電動勢關係圖 25
圖3.6 直流無刷馬達理想反電動勢圖 28
圖3.7 直流無刷馬達變頻器與定子線圈接線圖 28
圖3.8 三相電壓與換相訊號的關係 31
圖4.1 TMP88CS43內部架構方塊圖 35
圖4.2 馬達控制電路方塊圖 36
圖4.3 位置偵測電路 37
圖4.4 PWM ON取樣情形 38
圖4.5 計時器電路流程圖 39
圖4.6 PWM產生原理 40
圖4.7 同步/非同步輸出 41
圖4.8 PWM輸出波形 41
圖4.9 保護電路示意圖 42
圖4.10 馬達極數 43
圖4.11 電氣角及波形演算單元流程圖 44
圖4.12 二相/三相調變波形 45
圖4.13 無感測方波控制流程圖 46
圖5.1 驅動電路流程圖 47
圖5.2 反流器驅動器 48
圖5.3 IGBT電路圖 49
圖5.4 交換式電源轉換器架構圖 50
圖5.5 隔離型電源轉換器 51
圖5.6 電源電路圖 52
圖5.7 光耦合器應用圖 53
圖5.8 驅動電路圖 54
圖5.9 電流偵測及保護電路圖 56
圖5.10 無感測電路 57
圖5.11 一階低通濾波器 58
圖5.12 加法器電路 59
圖5.13 比較器及光耦合器電路圖 60
圖5.14 不適當的接法 60
圖5.15 6000rpm端電壓波形 61
圖5.16 濾波後端電壓波形 61
圖5.17 300rpm零交越點訊號與感測器訊號 62
圖5.18 1800rpm零交越點訊號與感測器訊號 62
圖5.19 3600rpm零交越點訊號與感測器訊號 63
圖5.20 6000rpm零交越點訊號與感測器訊號 63

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