臺灣博碩士論文加值系統

中文摘要
本論文主要設計一直流無刷馬達驅動器。探討幾種驅動方式，利用無刷馬達內之霍耳元件與反電動勢、電流命令訊號輸出之相對關係，製作驅動電路，以獲得良好的驅動性能。
驅動器內部共使用兩顆8051單晶片，其中一顆進行馬達電子換相，另一顆則進行人機界面與位置解角器的計數功能。馬達換相的方法採用六步方波的驅動方式，依據霍爾感測元件所偵測得到的轉子位置訊號，對於電樞線圈進行適當的激磁，使得馬達轉子上永久磁鐵所產生的磁通向量與電樞線圈所產生的磁通向量永遠保持九十度，並獲得平順的扭矩。人機界面電路設計上，可由外部設定線圈導通的時間、馬達旋轉方向及圈數。
實驗結果證實所設計的驅動器具架構簡單、成本低廉及性能優越的特性。
關鍵字：無刷直流馬達；霍耳元件；六步方波驅動;直接轉矩控制;
誌謝
本論文得以順利完成，首先要感謝我的指導教授胡永柟博士與陳盛基博士，在這兩年中不辭辛勞，耐心的指導與提攜，在我遇到瓶頸時，總能給我指點迷津，而往前無礙，無論是在理論或實作各方面，都在在給我受益匪淺，尤其讓我知道每一個理論的實現都不是天馬行空那樣的不著邊際，必須是非常踏實而且一步一步如履薄冰的實驗和測試，才會有切實、正確的結果。此恩我將永銘於心，再次感謝我的這兩位恩師。
此外亦要感謝兩位學弟(豐進、甘景)，在最後的這段時間，埋首於實驗室，日夜的幫我測試各個電路，以及同事(團圓、曉志、清錡)的體諒和幫忙，讓我能有更多的時間來完成這論文的研究，除了感謝他們外，更祝福他們。
最後，要感謝的是我的妻子(如真)、家人，尤其是家父(賜冬)的鼓勵與支持，使我更有勇氣，與智慧來面對各種的挑戰。再次衷心的感謝我週遭所有的人。

Abstract
In this paper, a brushless dc motor driving systems is investigated. Several driving methods which used relationship between Hall effect sensor signals, back EMF and current command signals are discussed. The objective of design methods is to obtain good performances and meet desired specification.
The driver is utilized two 8051 microprocessors. One single chip is to perform electrically commutation; the other single chip is fulfilled man-machine interface and encoder count function. The commutation procedure is used a six-step waveform according to Hall sensor signal which indicates the rotor position. As the rotor rotates, the electrically commutator switches the winding to maintain the vector of magnet field and armature flux with commutation angle at about 90 electric degree. Consequently, the torque output is smoother. For the design of man-machine interface and encoder counter, microprocessor can set duty cycle of the excited winding, the direction and rotating speed of the motor.
In this paper, experimental results demonstrate that the designed driver is simple, lower cost and good performance.
Keywords：Brushless DC motor, Hall effect sensor, Six-step driving ,Direct torque..

目錄
封面內頁
簽名頁
授權書...............................................iii
中文摘要..............................................iv
英文摘要...............................................v
誌謝..................................................vi
目錄.................................................vii
圖目錄................................................xi
表目錄...............................................xvi
第一章 緒論...........................................1
1.1 研究動機..........................................1
1.2 研究目的..........................................2
1.3 研究的步驟........................................3
1.4 系統架構..........................................4
1.5 內容大綱..........................................5
第二章 直流無刷伺服馬達簡介...........................6
2.1 直流無刷馬達簡介..................................6
2.2 直流無刷馬達的特徵................................8
2.3.1 包含永久磁鐵系統的力與轉矩......................9
2.3.2 繞組磁阻矩.....................................12
2.3.3 磁鐵磁阻力矩...................................14
2.3.4 對正力矩.......................................15
第三章 永磁式無刷直流馬達數學模式....................16
3.1 三相軸...........................................20
3.2 座標轉換.........................................21
3.2.1 三相座標與二軸座標轉換.........................25
3.2.2 同步與靜止座標系統轉換.........................27
3.2.3 永磁式無刷馬達兩軸模式之數學模式...............29
3.3 最佳化電流波形的証明.............................33
第四章 直流無刷馬達運作及驅動........................36
4.1 驅動原理.........................................37
4.2 二相導通(120度電通型)............................41
4.3 三相導通(180度電通型)............................45
第五章 直流無刷馬達之控制............................52
5.1 永磁無刷馬達之向量控制原理.......................52
5.2 直接轉矩控制.....................................54
5.2.1 磁通與轉矩估測.................................56
5.2.2 傳統切換狀態表.................................59
5.2.3 改良切換狀態表一...............................66
5.2.4 改良切換狀態表二...............................71
5.3 電壓脈波寬度調變法...............................74
5.4 電流控制脈波寬度調變.............................76
5.4.1 定時導通脈寬調變...............................78
5.4.2 定時關閉脈寬調變...............................79
5.4.3 雙電流形脈寬調變...............................80
5.5 切換表與電流控制之結合...........................82
第六章 實務理論......................................85
6.1 功率電晶體的選擇.................................85
6.2 隔離電路.........................................88
6.3 失效時間產生器...................................93
6.4 過電流保護.......................................95
6.5 MOSFET 保護電路..................................96
6.4.1 驅動電路之限流電阻設計.........................97
6.4.2 驅動電壓的探討................................102
6.4.3 緩振電路......................................103
第七章 實務過程與結果...............................106
7.1 IRFZ之選擇......................................106
7.2 簡易IRFZ之好壞判別..............................108
7.2 無隔離元件之驅動................................109
7.3 電晶體驅動......................................111
7.4 具隔離元件之驅動................................113
7.5 緩震電路........................................114
7.6.1 Hall元件的訊號直接測試........................115
7.6.2 Hall訊號經CPU測試.............................117
7.7 Hall信號與驅動信號之配對........................118
7.8 方波之驅動......................................123
7.9 傳統六步方波之PWM的程式化實現...................124
7.1.0 驅動IC之實現..................................126
7.1.1 人機介面......................................129
第八章 結論.........................................136
附錄................................................138
參考文獻............................................142
圖目錄
圖1.1 系統架構方塊圖..................................4
圖2.2 直流無刷馬達結構圖..............................7
圖2.3 永磁無刷馬達轉子之種類..........................9
圖2.4 繞組及永久磁鐵系統.............................11
圖2.5 等效磁力轉換...................................12
圖2.6 系統轉換後等效磁路.............................12
圖2.7 定子繞組磁通分佈...............................14
圖2.8 轉子磁鐵磁通分佈...............................15
圖3.1 磁通為梯型波時電流為方波驅動方式...............19
圖3.2 直流無刷馬達三相等效電路.......................23
圖3.3 無刷直流馬達轉移函數方塊圖.....................23
圖3.4 無刷直流馬達簡化方塊圖.........................24
圖3.5 三相座標與d-q 軸座標間的轉換關係...............25
圖3.7 靜止與同步座標間之轉換.........................27
圖3.6 兩軸參考平面之轉換.............................28
圖3.8 靜止座標系統與同步旋轉座標系統之關係圖.........28
圖3.9 電流與磁通微分的比較...........................35
圖4.1 直流無刷馬達及驅動器...........................36
圖4.2 霍爾感測信號之位置圖...........................39
圖4.3 無刷馬達驅動的轉動磁場原理.....................40
圖4.4 三相Y接馬達驅動架構............................40
圖4.5 二相導通電流流向...............................42
圖4.6 兩相激磁之等效電路.............................42
圖4.7 兩相激磁之激磁順序.............................42
圖4.8 兩相激磁之開關順序及磁場示意圖.................43
圖4.9 兩相激磁之三相線電壓波形.......................44
圖4.10 兩相激磁之三相相電壓波形......................44
圖4.11 三相導通電流流向..............................48
圖4.12 三相激磁之開關順序及磁場示意圖................49
圖4.14 三相激磁之六個開關的順序......................50
圖4.15 三相激磁、Y接線、線電壓之波形.................51
圖4.16 三相激磁、Y接線、各相電壓之波形...............51
圖5.1 向量控制之系統方塊圖...........................54
圖5.2 配合切換表技術之直接轉矩控制驅動系統...........56
圖5.3 轉矩、磁通與定子磁通角計算示意圖...............58
圖5.4 三相變頻器開關.................................59
圖5.5 修正後之定子磁通架構...........................59
圖5.6 傳統切換狀態的平面空間向量表示圖...............62
圖5.7 電壓控制型變頻器的八種可能開關狀態.............63
圖5.8 定子磁通、電壓與電流關係圖.....................64
圖5.9 轉子與磁通遲滯比較器...........................64
圖5.10 五階轉矩遲滯比較器............................68
圖5.11 改良切換狀態表一的平面空間向量表示圖..........68
圖5.12 改良切換狀態表一於區間1之狀態說明.............69
圖5.13 改良切換狀態表二的平面空間向量表示圖..........72
圖5.14 改良切換狀態表二於區間1之狀態說明.............72
圖5.15 基本PWM 輸出波形..............................76
圖5.16 電壓控制型PWM.................................76
圖5.17 電流驅動器概念電路............................78
圖5.18 遲滯型脈寬調變電流控制........................78
圖5.19 定時導通脈寬調變..............................79
圖5.20 定時關閉脈寬調變..............................80
圖5.21 雙電流模式脈寬調變............................81
圖5.22 PWM決策邏輯電路圖............................81
圖5.23 直接轉矩控制與電流控制之結合..................83
圖5.24 六步方波50%之ON-OFF時序.......................83
圖5.25 六步方波PWM之ON-OFF時序.......................84
圖6.1 MOSTFET 電路符號與典型輸出特性曲線.............87
圖6.2 光耦合器構成的隔離驅動電路.....................90
圖6.3 TLP250內部架構圖...............................90
圖6.4 閘級驅動電路圖.................................91
圖6.5 HP-3120之典型電路..............................91
圖6.6 IR2110之典型電路...............................91
圖6.7 晶體切換時間特性...............................94
圖6.8 直接電流之取樣電路.............................97
圖6.9 直接電流取樣的比較電路.........................97
圖6.10 LA-100P之電流感測電路.........................97
圖6.11 LA55-P電流感測電路............................98
圖6.12 LA55-P之低通濾波電路..........................98
圖6.13 LB-10GA之電流感測電路.........................98
圖6.14 MOSFET閘源極保護電路..........................99
圖4.18 功率開關MOSFET 之等效驅動電路圖..............101
圖6.19 (a)雙埠電路圖、(b)應用米勒定理的等效電路圖...101
圖6.20 驅動電阻設計流程圖...........................101
圖6.21 MOSFET 感應N 通道載子流動效應示意圖..........102
圖6.21 緩震電路.....................................104
圖6.22 無減振電路之端電壓...........................105
圖6.23 加入減振電路之端電壓.........................105
圖7.1 MOSFET之測試電路..............................109
圖7.2 MOSFET之接腳圖................................108
圖7.3 無隔離元件驅動之示意圖........................111
圖7.4 電晶體驅動之示意電路..........................112
圖7.5 電晶體接腳圖..................................112
圖7.6 TLP-250之測試電路.............................114
圖7.7 緩震電路之設計................................115
圖7.8 或爾感測器的信號直接測試電路..................116
圖7.9 CPU讀取/送出霍爾信號電路圖....................118
圖7.10 驅動信號與霍爾信號測試電路...................120
圖7.11 驅動信號與霍爾信號對應之主程式流程圖.........121
圖7.12 按鍵彈跳副程式...............................121
圖7.13 不同編號的開關...............................125
圖7.14 六步方波之PWM的程式化實現之示意圖............126
圖7.15 DECODER之電路................................131
圖7.17 人機介面電路.................................132
圖7.18 直接驅動後級電路.............................133
圖7.19 具光隔離器之後驅動電路.......................134
圖 7.20 面板試意圖..................................135
附圖一 整體圖.......................................138
附圖二 電路佈線圖...................................139
附圖三 散熱片及功率開關.............................140
附圖三 機械結構實體圖...............................141
表目錄
表5.1 開關的選擇組合及其產生的電壓向量...............65
表5.2 傳統的切換狀態表...............................65
表5.3 改良切換狀態表一...............................70
表5.3 改良的切換狀態表二.............................73
表6.1 TLP250性能規格.................................92
表6.2 TLP250切換時間特性.............................94
表7.1 馬達參數及規格................................107
表7.2 一般常用的MOSFET規格..........................107
表7.3 無隔離元件驅動之電阻電壓搭配測試表............111
表7.4 HALL 信號之順序...............................117
表7.5 驅動信號與霍爾信號之對應表....................122
表7.6 直流雙相激磁對應表............................124
表7.7 交流雙相激磁對應表............................124
表7.8 74374_2所代表之意義..........................135
表7.9 74244_3 (SW3)所代表之意義....................135

參考文獻
1.I Takahashi and T. Noguchi, “A new quick-response and high efficiency control strategy of an induction motor, ” IEEE Trans. on Ind. Appl. , Vol. 22, pp. 820-827,1986.
2.王國龍,”線性永磁同步馬達驅動系統之設計及研製”,碩士論文,國立臺灣科技大學(電機所),2001.6
3.蔡華駿，“直流無刷馬達之變速率採樣控制器分析”，國立台灣大學機械工程研究所碩士論文，指導教授：顏家鈺，1999.6.
4.童元鍼，“電動機車整體性能分析與能源最佳化設計”，國立台灣大學機械工程研究所碩士論文，指導教授：顏家鈺，1999.6
5.Yoon-Ho Kim, Young-seok Yoo,”Interface Circuits for Reg-
enerative Operation of an Electric Vehicle”IEEE, 1996.
6.許書賓, “小型無刷直流馬達無感測器之驅動控制研究,” 碩士論文, 國立清華大學(動力機械工程研究所控制組),1992.6.
7.B. K. Bose, “Power electronics and variable frequency drives: technology andapplications,” IEEE Press, New York, 1997.7
8.賴惠敏,“無感測器向量控制變頻器低轉速控制策略與調適” 碩士論文,國立台灣科技大學(電機工程技術研究所), 1998.5.
9.史宗岳, ”直接轉矩控制變頻器之研製,” 碩士論文, 國立台北科技大學(機電整合研究所), 1998.6.
10.陳建和, “直接轉矩控制變頻器之低轉速控制,” 碩士論文,國立台北科技大學(機電整合研究所),1999.6.
11.B. C. Kuo, Automatic Control System, Prentice-Hall, New Jersey, 1997.
12.D. W. Novotny and T. A. Lipo, Vector Control and Dynamics of AC Drives,Clarendon Press, Oxford, 1997.
13.陳衍璋,”永磁無刷馬達轉矩連之控制 ”,碩士論文,國立台北科技大學(電機研究所),2001.5.
14.王順民,"電動機車之路況模擬系統與電子式煞車系統之設計 ” , 碩士論文,國立台灣海洋大學( 機械與輪機工程學系 ), 2001.7.
15.范哲豪,” 永磁無刷馬達之無感測控制器之研製”, 碩士論文,國立台北科技大學(機電整合研究所), 2000.7.
16.曾世昌,” 感應馬達直接轉矩與磁通控制器之設計”, 碩士論文,中正理工學院(電子所), 1999.5
17.林泰輝, “以DSP進行感應電動機滑差與轉速估測之研究 ”, 碩士論文,中正理工學院(電子工程研究所), 1999.5
18.吳南億, ”以數位信號處理器為基礎之電動機車無刷馬達驅動器” ,碩士論文, 國立中山大學電機工程學系,2001.7.
19.林卓群, ” 模糊控制器為主體之交流感應機的直接轉矩控制”,碩士論文,台北科技大學(電機與能源研究所),2000.7.
20.辛文東,”電動機車直流無刷馬達高性能驅動系統之設計”,碩士論文, 大同大學(電機工程研究所),2001.6.
21.杜光宗,”變頻器的原理和使用秘訣”,建宏出版社,1993.9
22.許正道,”變頻器的實用設計”,文笙書局股份有限公司,1995.
23.章書鳴,”雙活塞線性馬達壓縮機之最佳設計與驅動”,碩士論文,台灣大學(機械所),20001.3.
24.黃金福,”數位化單相變流器應用於是電並聯系統之研製 ”碩士論文,台灣科技大學(電機所),2000.8.
25.李吉明,” 直流無刷馬達驅動電流波形最佳化”,碩士論文,國立台灣大學(機械工程研究所), 2000.6.
26.李昆岱,” 應用DSP 實現重覆控制於具非線性負載變流器之研究”, 碩士論文, 國立成功大學(電機所),2000.5.
27.陳彥霖,”變採樣頻率直流無刷馬達之觀察器設計”,碩士論文,國立台灣大學(機械研究所),2001.6.
28.劉文達,”線型與轉動型永磁式同步伺服馬達之參數自動調適”,碩士論文,”國立台灣科技大學(電機所),2000.5.
29.劉志豪,”應用模糊控制於線型永磁同步伺服馬達及定位控制器”,碩士論文,台灣科技大學(電機所),2002.5.