臺灣博碩士論文加值系統

無刷直流馬達具有高轉矩、高效率、大運轉速度範圍等良好特性，且由於沒有整流子及碳刷可免維修，在伺服系統的應用上已成為主流。一般無刷直流馬達驅動方式是採用霍爾位置感測器來偵測轉子的位置以提供換相資訊，但霍爾感測器位置解析度低，不利於低轉速控制。此外若要能有效節省成本，或在某些場合上不適用霍爾感測器時，例如在高溫、高濕的惡劣環境，則須使用無感測器控制（sensorless control）達到相同的驅動目的。
本論文之無感測器控制系統在無須使用電流量測器及A/D轉換器條件下，完成啟動前的轉子位置磁極估測及啟動後的轉子位置估測。在啟動前的初始磁極角區間判斷方面，本文使用低頻電壓輸入法來估測轉子初始位置；在啟動後的轉子位置估測方面，則提出零交越偵測與相位補償策略，當轉速命令愈低時，位置檢測點的數量相對增加，有利於低轉速控制。
本文又提出一新穎之倍頻法--與頻率無關之相位延遲法提高三相霍爾訊號之解析度，此方法輸入訊號源可為霍爾元件輸出訊號，或利用各種方法求得之三相霍爾估測訊號，有助於伺服系統之低轉速性能提昇。
最後，本論文以德州儀器公司之TMS320F240數位訊號處理器（DSP）為控制核心針對無刷直流馬達設計無感測器驅動系統，並以Altera FPGA EP2S60F672C3實現與頻率無關之相位延遲法，驗證低轉速之系統性能。

Comparing to the conventional DC motor and induction motor, the brushless DC motor (BLDCM) has superior merits, such as high torque, high performance, extensive working speed range, and without commutator and brush. BLDCM has been widely used in the industrial applications because of its cost and efficiency. Normally, Hall-effect sensor is used to detect the rotor position for commutation. However, the Hall sensor is low-resolution especially at low speeds and sensitive to the temperature. Therefore, the sensorless control scheme is considered in the thesis.
In the thesis, the rotor position is estimated without employing current sensors and analog-to-digital converters (ADCs) at standstill and during motor running. The initial rotor sector is first detected by employing low-frequency and low-voltage injection instead of conventional high-frequency and high-voltage injection to improve the sector estimation. After start-up, the rotor angle is synchronously estimated with pulse-width modulation (PWM) frequency such that the number of estimation increased in the case of lower speed command. This will be more efficient in low speed control.
In addition, a new method which can raise the signal frequency of hall sensor through a frequency-independent phase shifter (FIPS) is proposed in this thesis. It can improve the performance of the control system especially at low-speed region.
Finally, the DSP TMS320F240 and FPGA EP2S60F672C3 are adopted in the system to verify the effectiveness.

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目次 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 內容大綱 4
第二章 數位訊號處理器與場可程式閘陣列 5
2.1 DSP簡介 5
2.2 中央處理單元（CPU） 8
2.3 記憶體架構與輸出輸入空間 10
2.4 類比/數位轉換器（ADC） 11
2.5 方形編碼器脈波電路（QEP） 12
2.6 FPGA Stratix II EP2S60F672C3簡介 13
2.7 硬體描述語言(Hardware description language) 15
第三章 永磁無刷直流馬達 16
3.1 無刷直流馬達介紹 16
3.2 無刷直流馬達控制架構 17
3.3 直流無刷馬達控制原理 19
3.4 直流無刷馬達數學模型推導 21
3.5 六步方波控制法 23
第四章　與頻率無關之相位延遲法 25
4.1 簡介 25
4.2 與頻率無關之相位延遲法 26
4.3 實驗架構 29
4.4 實驗結果 30
第五章 無感測器驅動 39
5.1 轉子起始位置區間偵測 39
5.2 反電動勢計算法 50
5.3 轉子磁場與定子磁場間對應關係 53
5.4 啟動後偵測模式 56
第六章 系統實驗架構與結果 67
6.1 系統架構 67
6.2 實驗結果 68
6.2.1 啟動前初始位置實驗結果與探討 68
6.2.2 啟動後零交越偵測補償實驗結果 74
6.3 實驗結果討論 85
第七章 結論與未來展望 86
7.1 結論 86
7.2 未來展望 86
參考文獻 88
作者簡介 92

1.Y. C. Chang and Y. Y. Tzou, “Design of a Digital Controller for PM Brushless Motors with or without Hall Sensors,” pp. 785-790, 2007年第六屆台灣電力電子研討會。
2.Y. S. Lai, F. S. Shyu, and S. S. Tseng, “New Initial Position Detection Technique for Three-Phase Brushless DC Motor without Position and Current Sensors,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, no. 2, pp. 485-491, 2003.
3.K. Iizuka, H. Uzuhashi, M. Kano, T. Endo and K. Mohri, “Microcomputer Control for Sensorless Brushless Motor,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-27, pp. 595-601, May-June 1985.
4.J. C. Moreira, “Indirect Sensing for Rotor Flux Position of Permanent magnet AC Motors Operating over a Wide Speed Range,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 32, no. 6, pp. 1394-1401, 1996.
5.S. Ogasawara and H. Akagi, “An Approach to Position Sensorless Drive for Brushless DC Motors,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 6, pp. 1635-1645, 2004.
6.T. M. Jahns, R. C. Becerra, and M. Ehsani, “Integrated Current Regulation for a Brushless ECM Drive,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 6, pp. 118-126, Jan. 1991.
7.C. H. Chen and M. Y. Cheng, “A New Cost Effective Sensorless Commutation Method for Brushless DC Motors without Phase Shift Circuit and Neutral Voltage,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp.644-653, March 2007.
數位訊號處理器
8.龔應時、陳建武、徐永松編著，TMS320F/C24x DSP 控制器原理與應用，滄海書局。
9.mnl_nios2_board_stratixII_2s60_rohs.pdf.
10.唐佩忠，VHDL與數位邏輯設計，高立圖書有限公司，第一版，民國88年。
無刷直流馬達
11.王士豪，以FPGA為基礎之無刷直流馬達驅動器設計與製作，南台科技大學電子工程系碩士論文，2004。
12.P. Pillay and R. Krishnan, “Modeling Simulation, and Analysis of Permanent-Magnet Motor Drives, Part II: The Brushless DC Motors Drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 25, no. 2, pp. 274-279, 1989.
13.M. M. Mound, B. W. Williams, and T. C Green, “A Novel Simulation Technique for the Analysis of Digital Asynchronous Pulse Width Modulation,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 30, no. 5, pp. 1284-1289, 1994.
14.S. R. Bowes, “Efficient Microprocessor Real-Time PWM Drive Control Using Regular-Sampled Harmonic Minimization Technique,” IEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp. 211-218, 1993.
15.S. R. Bowes and P. R. Clark, “Transputer-Based Harmonic-Elimination PWM Control of Inverter Drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 28, no. 1, pp. 72-80, 1992.
16.陳兆章，動機車之馬達控制，機械月刊，1997。
無與頻率無關之相位延遲法
17.林宗廷，無刷直流馬達驅動設計，南台科技大學電機工程研究所碩士論文，2008。
18.黃禹鈞，永磁同步馬達之低轉速控制，南台科技大學電機工程研究所碩士論文，2008。
無感測器驅動
19.W. J. Lee and S. K. Sul, “A New Starting Method of BLDC Motors without Positions Sensor,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 4, no. 5, pp. 2397-2402, 2004.
20.G. H. Jang, J. H. Park and J. H. Chang, “Position Detection and Start-up Algorithm of a Rotor in a Sensorless BLDC Motor Utilizing Inductance Variation,” IEE Proceedings of Electric Power Applications, vol. 149, no. 2, pp. 137-142, 2002.
21.王順忠與陳秋麟編譯，電機機械基本原理，東華書局，2002。
22.郭塗註編譯，電工機械，大中國圖書公司，1999。
23.孫清華編譯、黃昌圳校閱，最新無刷直流馬達，全華科技圖書，2001。
24.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系碩士論文，2005。
25.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系碩士論文，2005。
26.曾佑民，無量測器直流無刷馬達控制之FPGA設計與製作，國立臺灣科技大學電機工程系碩士論文，2005。
27.Q. Li and R. Wang, “Study on Rotor Position Detection Error in Sensorless BLDC Motor Drives,” IEEE Power Electronics and Motion Control Conference, vol. 3, pp. 1-5, 2006.
28.廖鴻儒，無刷直流馬達無感測驅動技術於水下載具推進之設計實現，國立成功大學系統及船舶機電工程學系碩士論文，2006。
29.邵子昌，以DSP為基礎之無刷直流馬達無感測器驅動，南台科技大學電機工程研究所碩士論文，2007。