無刷直流電動機控制策略

授轉速/電流命令值已完成閉迴路控制。如下圖2-6所示為轉速回授閉

表2-2 各換相區間輸入電壓及輸入電流的選用(正轉時)

圖2-7 無刷直流電動機之六步方波操作之電流閉迴路控制

2.6 結語 結語 結語 結語

故可知無刷直流電動機感應電動勢與磁極角位置之關係，進

而瞭解無刷直流電動機之動作原理，並藉此分析出無刷直流馬達

及三相變頻器開關狀態之關係，決定六步方步控制策略作為轉速

控制。將配合轉速的計算及電流迴授作其轉速、電流閉回路控制

策略，以提高其轉速與轉矩響應，同時也使之更能快速穩定。

第三章 第三章

第三章 第三章 數位控制器 數位控制器 數位控制器 數位控制器(DSP)之簡介 之簡介 之簡介 之簡介

3.1 前言 前言 前言 前言

本文使用的晶片為 dsPIC30F4011 控制器，它是 Microchip 所推出

的 16 位元數位訊號控制器中，屬於馬達控制與電能管理系列中的一

控制器設定暫存器 控制器設定暫存器 控制器設定暫存器 控制器設定暫存器

每一個控制器設定暫存器都是一個 24 位元的暫存器，但是每個 暫存器僅有較低的 16 位元被使用來設定資料。使用者可設定的控制 器設定暫存器有：

1. FOSC（0xF80000） ：振盪器設定暫存器

2. FWDT（0xF80002） ：監視計時器（Watchdog Timer）或稱看門狗計 時器設定暫存器

3. FBORPOR（0xF80004） ：電壓異常重置（Brown-Out Reset）及電源 開啟重置（Power-On Reset）設定暫存器

4. FGS（0xF8000A） ：一般程式區塊設定暫存器

dsPIC 控制器內建有一個監視計時器，可以經由設定位元來將它 持續動作，或者是問題發生時的控制。計時器並內建有自己的 RC 振 盪器來增加穩定性。除此之外，在控制器電源啟動時，還有另有兩個 計時器用來提供必要的延遲時間。第一個是振盪器開啟計時器

（oscillator start-Up timer，OST） ，其目的是要將控制器保持在重置的 狀態下，直到石英振盪器的訊號穩定。另外一個則是電源啟動計時器

（power-up timer，PWRT），它僅在控制器電源啟動的時候提供一個 延遲，設計的目的是要在電源穩定之前讓控制器保持在重置的狀態。

3.3 輸出入埠 輸出入埠 輸出入埠(I/O) 輸出入埠

本節提供 dsPIC30F 系列器件 I/O 通道的訊息。所有腳位（除

V_DD

、

VSS

、

MCLR

和 OSC1/CLKI 以外）均由外設和通用 I/O 通道共用。

通用 I/O 通道可供 dsPIC30F 監視和控制其他器件。大多數 I/O

腳位與備用功能複用。複用將取決於不同器件上的外設功能部件。一

般來說，當相應的外設致能時，其對應的腳位將不再作為通用 I/O 腳

位使用。

I/O 通道控制暫存器 通道控制暫存器 通道控制暫存器 通道控制暫存器

8. 工作週期更新可配置為立即更新或與PWM 同步 9. 有可編程功能的硬體故障輸入腳位

10. 用於同步A/D 轉換的特殊事件觸發器

11. 每個與 PWM 相關的輸出腳位都可以被單獨致能

dsPIC30F4011數位訊號控制器的馬達控制PWM具下列功能與特 性：

1. 6個PWM輸出入腳位以及3個工作週期產生器 2. 16 位元的解析度

3. 即時 PWM 頻率切換

4. 邊緣對齊與中央對齊輸出模式 5. 單一脈衝產生模式

6. 中央對齊模式下更新中斷支援

7. 安排其他週邊事件發生的特殊事件比較器

8. 錯誤偵測腳位可驅使每一個 PWM 輸出到定義的狀態

電機控制脈波寬調變模組(MCPWM)有個專用的 16 位元 PTMR 時基暫存器。此定時器每隔一段自定義時間的時間間隔進行一次遞增 計數，該時間間隔最短可為 Tcy。透過選擇一個值並放入 PTPER 暫 存器，可自行決定所需之 PWM 週期。每個 Tcy，PTMR 與 PTPER 作 一次比較，當兩者匹配時，開始一個新的週期。

輸出信號強制修改暫存器中有兩個 6 位字段，這兩個字段中的每 一位元對應一個輸出腳位。此暫存器的高位元組部分確定對應的輸出 腳位是由 PWM 信號（當置為 1） ，還是由低位元組部分中的相對應位 元驅動為有效或無效（當置為 0） 。MCPWM 之架構圖如圖 3-1 所示，

模組的功能方塊圖如圖 3-2 所示。

FLTA

圖 3-1 MCPWM 架構圖 [

dspic 數位訊號控制器原理及應用

]

圖 3-2 MCPWM 模組的功能方塊圖 [

dspic 數位訊號控制器原理及應用

]

3.5 高速類比數位訊號轉換器 高速類比數位訊號轉換器 高速類比數位訊號轉換器(A/D) 高速類比數位訊號轉換器

本節所要探討的是高速類比數位訊號轉換器，如何將迴授回來的 內容值藉由高速類比數位訊號轉換器轉成所需要的數值。以下將介紹 轉換器之特性，所需使用到的控制暫存器及 A/D 轉換結果緩衝器。

A/D 轉換器特性 轉換器特性 轉換器特性 轉換器特性

dsPIC30F4011 10位A/D 轉換器具有以下之特性︰

1. 連續進似暫存器（Successive Approximation Register， SAR）轉換 2. 提供 500kps 的取樣頻率

3. 9個類比輸入通道

4. 具有外接轉換參考電壓之通道 5. 四組取樣與保持放大器

6. 可四個類比輸入通道同時進行取樣 7. CH0提供自動通道掃描模式

8. 可選轉換觸發源

9. 16 位元轉換結果緩衝器 10. 可選擇緩衝器寫入模式 11. 四種結果對齊選擇

12. 可在CPU 休眠和空閒模式下運作

圖3-3為10 位A/D 的架構示意圖。10 位A/D 轉換器最多可以有 9個類比輸入通道，指定為AN0-AN8。此外，有兩個可用於連接外部 參考電壓的類比輸入通道VREF+和VREF-，可被做為轉換的參考電 位。這些參考電壓輸入可以和其他類比輸入腳位共用。類比輸入通道 AN0-AN8是透過多路開關連接到四個S/H 放大器，指定CH0-CH3。

使用時可選擇採集輸入數據一個、兩個或四個S/H 放大器。在轉換期

間，類比輸入多路開關可以在兩組類比輸入A模式與B模式之間切

換。使用某些輸入腳位可以在所有通道上實現單極性差分轉換，參見

個10位元A/D 轉換結果時，轉換結果被轉換為四種16 位輸出格式之

3.6 計時器 計時器 計時器/計數器 計時器 計數器 計數器 計數器

計時器/計數器分成 A、B、C 三類型，依所需的不同來選擇其類 型，而在此專題上選用了 C 類型計時器/計數器，以下即為 C 類型計 時器/計數器之相關介紹及暫存器之使用設定。

計時器 計時器

計時器 計時器/計數器 計數器 計數器 計數器特性 特性 特性 特性

dsPIC30F系列提供了幾個16位元定時器。這些定時器被指定為 Timer1、Timer2、Timer3……等。

每個定時器模組均為16位元定時器/計數器，由下列可讀/寫暫存 器組成︰

1. TMRx：16位元定時器計數暫存器

2. PRx︰與該定時器相關的16位元週期暫存器 3. TxCON︰與該定時器相關的16位元控制暫存器

每個定時器模組還有與中斷控制相關的位元︰

1. 中斷使能控制位元（TxIE）

2. 中斷標誌狀態位元（TxIF）

3. 中斷優先級控制位元（TxIP<2:0>）

3.7 結語 結語 結語 結語

以上為對 dsPIC30F4011 控制器作一個簡單的介紹，後續的章節

上還會再介紹在此專題中所需的設定。在此用的是較簡單、基礎的功

能，其詳細的功能介紹可參考 dsPIC30F 4011 控制器的資料手冊，進

而熟用此晶片。

第四章 第四章

圖 4-2 a 相上下臂信號之盲時設定及驅動及電路輸出信號 (a)S_a⁺；(b)S_a⁻；(c) v_GE(T_a⁺)；(d) v_GE(T_a⁻)。

4.2.2 驅動級電路 驅動級電路 驅動級電路 驅動級電路製作 製作 製作 製作

本文的驅動電路主要是使用三顆編號為 IR2101S 的積體電路來作 為分相及驅動用。由於控制器輸出之 PWM 訊號為 5V，所以必須先 於每相訊號輸入前串接兩顆電阻以用來取樣電壓信號，接至 IR2101S 的輸入腳位 HN 以及 LN，並透過 IR2101S 內部動作，將電壓信號放 大至 15V，以達到驅動 MOSFET 的基本條件，最後再用 10µF 跟 0.1µF 的電容分別除去高頻跟低頻的雜訊。如圖 4-3 所示，此僅顯示

a

相的 驅動電路，而

b_、c

相與此項相同，其中

R₁

和

R₂

為防止流進 IR2101S 的電流過大的限流電阻。完整電路圖請參閱附件 G。

圖 4-3

a

相驅動電路

4.3 三相變頻器之實體電路分析及製作 三相變頻器之實體電路分析及製作 三相變頻器之實體電路分析及製作 三相變頻器之實體電路分析及製作

4.3.1 三相變頻器六步開關 三相變頻器六步開關 三相變頻器六步開關 三相變頻器六步開關元件狀態改變對應之電流分析 元件狀態改變對應之電流分析 元件狀態改變對應之電流分析 元件狀態改變對應之電流分析 本節針對六步控制時在各個開關元件狀態時電路上的電流，以及 狀態改變瞬間電流的變動，此分析電流作取樣時能在正確的狀態下取 樣正確的電流，為了分析的可讀性，在此定義由上臂及下臂開關流往 節點之電流方向為正，且節點流往繞組之電流方向為正，在實作時則 改將節點流往下臂開關之電流視為正，以便取得取樣電阻上之跨壓進 而轉換為各相電流值。上臂開關元件

T_a⁺

、

T_b⁺

與

T_c⁺

導通時為 PWM 控制 導通方式，而下臂

T_a⁻

、

T_b⁻

與

T_c⁻

導通時為二極體飛輪作用，開關元件 在六步控制間之開關狀態配合表 2-1 作改變。圖 4-4 為霍爾

效應偵測元件信號

H_a

，

H_b

，

H_c

之值為010時開關之狀態，

T_c⁺

為PWM

控制導通方式，而

T_b⁺

為持續導通，在

T_c⁺

PWM為導通時，電流由電源

正端經

T_c⁺

流入繞組c而由繞組b流出，再經

T_b⁺

流回電源負端; 在

Tc⁺

PWM為截止時，因為繞組之電感效應使得兩繞組之電流流向在

T_c⁺

導通變為截止之後短暫維持，故此電流由繞組b流出經過

T_b⁺

與

T_c⁺

之旁 路二極體，再流入繞組c形成迴路。由於在此步的時間內PWM在導通 與截止之間快速切換，故兩條電流迴路也隨之切換，而兩迴路所佔時 間的比例則與責任週期有關，責任週期愈大則流經

T_c⁺

的時間愈長，而 流經

T_c⁺

之旁路二極體的時間則愈短。六步控制之其餘五步之分析方式 皆與此分析相同。

另外在

H_a

，

H_b

，

H_c

由010變為011時，繞組c同樣因為電感效應 而短暫維持電流，電流由繞組c流往繞組b，流經

T_b⁺

，再由

T_c⁺

的旁路二 極體流回繞組c形成迴路，如圖4-10，而此短暫時間過後則以狀態011 時之分析方法分析。而在

H_a

，

H_b

，

H_c

由011變為001時，繞組b也同 樣因為電感效應而短暫維持電流，電流流出繞組b，流經

T_b⁺

的旁路二 極體，再由

T_a⁺

流回繞組a形成迴路，如圖4-11，而此短暫時間過後則 以狀態001時之分析方法分析。

H_a

，

H_b

，

H_c

由0010變為101，和由100 變為110之分析方式與由010變為011時相同，而

H_a

，

H_b

，

H_c

由101 變為100，和由110變為010之分析方式則與由011變為001時相同，且 這六個維持的電流皆只有在導通狀態改變後維持一次很短暫的時間。

Ta⁺ T_b⁺ T_c⁺

Ta⁻ T_b⁻ T_c⁻

ia

ib

ic

a

b c

ia⁺ i_b⁺ i_c⁺

i⁻ i⁻ i⁻

Ta⁺ T_b⁺ T_c⁺

Ta⁺ T_b⁺ T_c⁺

Ta⁻ T_b⁻ T_c⁻

ia

ib

ic

a

b c

ia⁺ i_b⁺ i_c⁺

ia⁻ i_b⁻ i_c⁻

圖 4-8 霍爾元件狀態

H

_a

H

_b

H

_c為 100 區間內之電流狀態

Ta⁺ T_b⁺ T_c⁺

Ta⁻ T_b⁻ T_c⁻

ia

ib

ic

a

b c

ia⁺ i_b⁺ i_c⁺

ia⁻ i_b⁻ i_c⁻

圖 4-9 霍爾元件狀態

H

_a

H

_b

H

_c為 110 區間內之電流狀態

Ta⁺ T_b⁺ T_c⁺

Ha

Hb

ic⁻

ib⁺

ia⁻

ib⁻

ib⁺

ia⁺

ia

ib

ic

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

4.3.2 三相變頻器 三相變頻器 三相變頻器 三相變頻器製作之實體製作 製作之實體製作 製作之實體製作 製作之實體製作

本文採用三組每組兩顆串聯型號為 SNP60N06 的 MOSFET 並聯 而成，組成三相的變頻器電路。 a 臂的電力電路如圖 4-13 所示。在 圖 4-13 中，於輸入端各接兩顆電阻( R 7 及 R 8

)

以作為限流電阻，並於 兩相之間接一 5kΩ 的電阻，以確定驅動電路中用以濾波的電容於電 路停止時可將電容內之電壓釋放完畢，避免開機時變頻器誤動作。如 圖 4-13 所示，此僅顯示 a 臂之電力電路，完整電路圖請參閱附件五。

圖 4-13

a

相變頻器電路

4.4 數位訊號控制器控制電路分析及製作 數位訊號控制器控制電路分析及製作 數位訊號控制器控制電路分析及製作 數位訊號控制器控制電路分析及製作

本專題之控制電路板之是參考 Microchip 之電路編號 APP009 第 2 版之電路圖，自行以軟體 Protel 99 SE 繪圖與配置佈線，之後再洗成 電路板，在此簡單分析此電路中本專題使用到的部分之電路方塊圖。

控制電路設計 控制電路設計 控制電路設計 控制電路設計： ： ： ：

圖 4-14 控制電路之方塊圖

1.電源供應 電源供應 電源供應 電源供應

如圖 4-15，使用 24 伏特的蓄電池，配有 7805 穩壓晶片藉由提供 電路元件 5 伏特的直流電壓。由於 LCD 液晶顯示器為一固定 5 伏特 之直流電源的電路元件，且本專題之單晶片 dsPIC 亦使用 5 伏特電 壓，選擇將 JP1 之 12 腳短路，以選擇 5 伏特之工作電壓。

圖 4-15 電源供應之電路方塊

[

APP009 dsPIC30F4011/4012/2010 Motor Control Family”Evaluation Board 使用說明]

2.電源顯示與重置電路 電源顯示與重置電路 電源顯示與重置電路 電源顯示與重置電路

如圖4-16，用一發光二極體LED12作為電源顯示，同時使用按鍵

SW5作為dsPIC控制器電源重置的開關，透過120Ω的R4來防止欠阻尼

現象，確保電容器C3的電壓固定。當按下按鍵時，將會使重置腳位成

為低電位，而達成控制器重置的功能。R2為22kΩ的電阻，用以連接

電源Vdd和單晶片dsPIC的重置接腳(MCLR)。

[

APP009 dsPIC30F4011/4012/2010 Motor Control Family”Evaluation Board 使用說明

]

3.PWM訊號輸出 訊號輸出 訊號輸出、 訊號輸出 、 、LED訊號輸出入 、 訊號輸出入 訊號輸出入 訊號輸出入與電流取樣輸入 與電流取樣輸入 與電流取樣輸入 與電流取樣輸入

PWM1L至PWM3H為馬達控制時 PWM的輸出腳，也可以作為一 般的I/O用。以高準位驅動的方式來驅動LED之D1到D6。另外，這6 個接腳也連接至一個8Pin的連接端子JP15以便連接至外部的驅動電 路。如圖4-18及圖4-19所示。

FLTA，INDX，QEA，QEB使用高準位方式驅動D7到D10。這4 個接腳與OCFA一起被接到另一個8Pin的連接端子JP19以便與外部的 電路連接。如圖4-19所示，其中FLTA為PWM錯誤A通道輸入，INDX 為定位標碼器指標脈衝輸入，QEA與QEB為定位編碼器模式(QEI) 下，定位編碼器相位A、B的輸入，在計時模式下則為輔助計時器的 外部時脈/控制閘輸入。因單晶片dsPIC具有A/D轉換功能，無刷直流 電動機的三相電流經過外部元件電流感測器轉換成類比電壓，再經過 單晶片估測實際電流值，所以實際上仍以電壓取樣為基礎。圖4-18中 加入120Ω當作限流電阻，防止流經下一級電路的電流過大。

以上得訊號在連接至外部前都會先串接一電阻，以減緩過阻尼或

欠阻尼能量。JP15的8Pin連接端子，將PWM1L至PWM3H六個PWM

信號經過串接的47Ω電阻外接。除6個PWM信號外，也包含Vdd與Vss

信號。

圖 4-17 單晶片 dsPIC 的 PWM 訊號輸出或 LED 訊號輸出電路 [

dspic 數位訊號控制器原理及應用

]

圖 4-18 PWM 訊號之電路接腳 [

dspic 數位訊號控制器原理及應用

]

圖 4-19 電流取樣輸入接腳之電路 [

dspic 數位訊號控制器原理及應用

]

4.類比 類比 類比 類比/數位訊號轉換電路 數位訊號轉換電路 數位訊號轉換電路 數位訊號轉換電路、 、 、 、霍爾偵測訊號接收器 霍爾偵測訊號接收器 霍爾偵測訊號接收器 霍爾偵測訊號接收器

提供類比訊號感測的電路模式為連續電壓訊號式的可變電阻，利

用可變電阻VR1用以產生連續的電壓變換，並將變換的電壓訊號連接

到DSP控制器的類比訊號轉換腳位，因而可以使用內建的類比數位訊

號轉換器來量測所改變的電壓訊號變化。本專題將VR1產生的連續電

壓變換當作轉速的輸入命令值。圖4-20中，VR1即為設定的轉速命

令，VR2為空接。JP21為霍爾偵測信號線的輸入接腳AN0、AN1

_、

AN2

和接地。

圖4-20類比/數位訊號轉換電路、霍爾偵測信號輸入之電路區塊

[

APP009 dsPIC30F4011/4012/2010 Motor Control Family”Evaluation Board使用說明

]

5.控制器時脈輸入振盪器與 控制器時脈輸入振盪器與 控制器時脈輸入振盪器與 控制器時脈輸入振盪器與 ICD2 程式除錯與燒錄介面 程式除錯與燒錄介面 程式除錯與燒錄介面 程式除錯與燒錄介面

使用一個 20MHz 的石英震盪器作為 DSP 控制器的外部時脈輸入 來源；並使用 dsPIC4011 控制器內建的 ICD2 程式除錯與燒錄腳位。

其電路如圖 4-21 及 4-22 所示。圖 4-21 中，X1 為 20M Hz 的石英震 盪器，作為 dsPIC 控制器的外部時脈輸入來源。圖 4-22 中，PGC、

PGD、EMUC2 與 EMUD2 為 ICD 程式除錯與燒入的腳位選擇，MCLR

圖 4-21 控制器時脈輸入振盪器之電路區塊

[

APP009 dsPIC30F4011/4012/2010 Motor Control Family”Evaluation Board 使用說明

]

圖 4-22 ICD2 程式除錯與燒錄介面之電路

[

APP009 dsPIC30F4011/4012/2010 Motor Control Family”Evaluation

Board 使用說明

]

4.5 實體照片 實體照片 實體照片 實體照片

本專題硬體電路的全部電路如圖 4-23、圖 4-24 所示，圖中可看

到用以提供電源的蓄電池(兩顆 12V 的電池串聯)、前輪裝有 BLDC 的

腳踏車、控制電路、驅動電路、煞車電路，等…。整體流程為控制電

路板將產生的週期訊號(

S_m

)送至變頻器，再接到無刷直流電動機，並

再將馬達的霍爾訊號打回控制板，使其產生新的週期，以完成轉速閉

迴路。圖 4-25、圖 4-26 與圖 4-27 則分別是 DSP 控制電路、驅動電路

及三相變頻器電路，其中三相變頻器電路為兩組並接以增大耐流防止

功率級電晶體過熱，圖上皆有各元作與電路名稱的標示。圖 4-29 為

煞車電路，由於電器煞車把手按下時為短路，所以本專題將其串接於

功率晶體的訊號端與訊號間，並於訊號端並接一 LED，一方面可當煞

車燈，又可使晶體不會因空接誤動作，最後再接上煞車電阻，以消耗

煞車時的回流。

圖 4-24 整體架構實體圖(二)

圖 4-25 dsPIC 控制電路實體圖

圖 4-26 驅動電路實體圖

圖 4-27 三相變頻器電路實體圖

圖 4-28 驅動電路、變頻器與煞車電路板實體圖

圖 4-29 煞車電路板實體圖

4.7 介面配置 介面配置 介面配置 介面配置

配合系統之實際架構與相關連接關係，本文製作對照圖 4-31 實 體圖之架構與連接關系之介面配置示意圖如圖 4-30，兩圖可互相對 照，另外將各工作電路之輸出入接腳配置作了整理如附件一，在數位 控制器 DSP 上，提供了包含與外部相連接之接頭編號及腳位編號、

連接至晶片之晶片腳位編號、晶片上對應之輸出入埠及腳位、腳位上 複用功能之名稱及編號，而其他幾個工作電路則提供了與其他電路板 相連接之接頭編號及腳位編號，製作圖 4-28 與圖 4-30 的目的在於，

希望能快速了解本系統架構之連接方式，以及在閱讀本專題之程式 時，對相關設定可以快速對照相關腳位值，以提高本文之可讀性。

下圖 4-30 中， S 5 為電路重置功能開關， S 9 為電路啟動開關。

圖 4-30 本文之系統架構示意圖

4.8 軟體程式規劃 軟體程式規劃 軟體程式規劃 軟體程式規劃

本節將介紹程式規劃流程，如圖 4-31，也將程式中所用到之暫存 器設定簡單說明，而本文也將專題的程式碼及詳細的註解附於附件 四，希望由控制方塊、介面配置圖、程式流程圖、暫存器設定說明以 及附有註解之程式碼五者相互對照呼應之下，能快速對本專題之軟體 程式部分有相當的了解。程式規劃流程圖如圖 4-34 所示，電源開啟 後會先初始化所有的狀態，然後再判斷是否按下電路啟動開關 S9，

若按下則讀取霍爾位置並查表選擇載入輸出強制修改信號暫存器當

做電子開關元件的狀態，再依照輸出的 PWM 信號讀取轉速命令，將實

際的轉速跟命令轉速作比較取出誤差，經過比例與積分的計算可得到

新的 PWM 責任週期，依序如此一個循環，若中途按下 S9 則停止所有

的動作。

4.8.1 程式規劃流程圖 程式規劃流程圖 程式規劃流程圖 程式規劃流程圖

b. 程式流程圖說明 程式流程圖說明 程式流程圖說明： 程式流程圖說明 ： ： ：(針對閉迴路說明，開迴路之分析與閉迴路相似) 1.初始化 初始化 初始化 初始化 IO 腳位 腳位 腳位 腳位： ： ： ：

將所有用到之 IO 腳位作適當的設定，讀入霍爾訊號之腳位只須 判斷有無訊號固設定為輸入、數位腳位，而讀入可變電阻分壓值及讀 取樣電流轉成電壓訊號值之腳位則設為輸入、類比腳位，以讀取變動 之類比訊號；而輸出 PWM 之腳位則設定為輸出、數位腳位。

2.初始化 初始化 初始化 初始化電機控制脈波寬調變模組 電機控制脈波寬調變模組 電機控制脈波寬調變模組 電機控制脈波寬調變模組(MCPWM)： ： ： ：

設定載波頻率，設定輸出六個 PWM 之工作模式，給定工作責任 週期之暫存器初值等等。

3.初始化 初始化 初始化 初始化 AD 轉換 轉換 轉換 轉換： ： ： ：

設定數位類比轉換功能之工作模式，像是如何取樣(同時或依 序)，轉換通道選擇，被轉換腳位選擇，轉換結果型式，寫入緩衝器 的模式等等。

4.快速熱機 快速熱機 快速熱機 快速熱機： ： ： ：

按下開關鍵之後，驅動 PWM 訊號，先輸出一組訊號使上臂開關 皆不導通，而使下臂開關皆導通，快速完成熱機動作。

5.輸出信號強制修改暫存器與 輸出信號強制修改暫存器與 輸出信號強制修改暫存器與 輸出信號強制修改暫存器與 PWM 的責任週期 的責任週期 的責任週期 的責任週期設定 設定 設定： 設定 ： ： ：

輸出信號強制修改暫存器決定輸出之 PWM 訊號那些開關導通 而那些不導通，而 PWM 責任週期暫存器決定輸出 PWM 之工作責任 週期，我們的設定之滿工作責任週期值為 625。

6.AD 中斷 中斷 中斷 中斷： ： ： ：

7.CN 中斷 中斷 中斷 中斷： ： ： ：

當馬達轉動造成霍爾偵測值改變，會產生 CN 中斷，中斷內會讀 取改變後之霍爾偵測值，以之查表輸出下個狀態時六個開關之狀態，

此中斷內也會在正確的時段讀取正確的電流值，將 AD 中斷時取的電 流值放入正確的變數中。在一個 CN 中斷的時間內，發生了許多的 AD 中斷。

8.馬達實際轉速測量 馬達實際轉速測量 馬達實際轉速測量 馬達實際轉速測量： ： ： ：

在主程式內，當某個霍爾偵測值出現第一次，則開啟計數器，而 在同個值出現第二次則代表馬達轉了一圈，此時讀計數器值並將它歸 零，以作轉速之計算。因本文的馬達是 20 極的，轉一圈六個狀態會 輪迴 10 次。

9.轉速閉迴路控制 轉速閉迴路控制 轉速閉迴路控制 轉速閉迴路控制之調節器 之調節器 之調節器 之調節器

以空載之應電勢估測值作為轉速粗調，而誤差部分，與因加載造 成之轉速誤差，則有比例積分控制器計算出增減之微調修正量，二者 相加(減)以得到新的工作責任週期與 PDC 值。

10.應電勢估測 應電勢估測 應電勢估測： 應電勢估測 ： ： ：

以馬達空載時得到轉速與應電勢之關係，在程式控制時，以所下 的轉速命令，乘上適當轉換比例得到估測之工作責任週期與 PDC 值，達到粗調轉速的作用，

4.9 結語 結語 結語 結語

以上為實體製作的部份，即硬體電路部份，我們把我們做的部分

以及所用到的暫存器一一介紹，就是為了驗證理論能與實作相符，而

做了此章節分析介紹。

第五章 第五章

第五章 第五章 周邊硬體介紹 周邊硬體介紹 周邊硬體介紹 周邊硬體介紹 5 5

5 5- - -1. - 1. 1. 1. 前言 前言 前言 前言

由於本次專題把電機控制理論與實務結合成一體，但必定要先熟 析外部硬體架構，再從控制理論去做探討，才能解決在實務上遇到的 問題。本章節由直流無刷馬達開始介紹，到調速手把跟剎車手把以及 腳踏車整體的機械架構。

5 5 5

5- - -2. - 2. 2. 2. 本專題所使用之直流無刷馬達介紹 本專題所使用之直流無刷馬達介紹 本專題所使用之直流無刷馬達介紹 本專題所使用之直流無刷馬達介紹

直流無刷電機的各項參數

電機種類 : 永磁式同步電動機 (直流無刷馬達，BLDC) 電機容量 : 240W(輸入額定功率)

額定電壓 : 24V (輸入相電壓峰值)

額定電流 : 10A (輸入線電流峰值，相電流與線電流相同) 電機極數 : 20 極

定子槽數 : 18 槽

轉動型態 : 外轉型電機 額定轉速 : 900

rpm

轉速比(齒輪比) : (輪殼 72 齒) / (轉子 18 齒) = 4 輪框直徑 : 26 吋 (0.66 米)

額定時速 : 3.14159

_i

0.66

_i

900 / (60

_i

4)=7.77 公里/每小時

霍爾線 : 五條(依序為紅、綠、藍、黃、黑，其中紅+5V，黑為

GND

)

電源線 : 三條(依序為綠，黃，藍，分別代表

a

、

b

、

c

相)

圖 5-3. 輪殼齒輪與行星齒輪(1) 圖 5-4. 輪殼齒輪與行星齒輪(2) 電機構造由內向外依序為 : 轉子，轉子齒輪，行星齒輪(三顆)，單 向軸承，外框齒輪，外殼，幅條。

其中三顆行星齒輪之下的圓形鋼片即為單向軸承。

轉子齒輪轉子一體成型，當轉子轉動時，會帶動轉子齒輪，進而 帶動三顆行星齒輪，此時行星齒輪與轉子齒輪為反向，再經過輪殼齒 輪後，又回復到正向。

經過單向軸承後，可以確保當馬達正轉的時候，輪殼齒輪也是正 轉。而馬達停轉，腳踏車倒退時，轉子齒輪固定，而只有行星齒輪與 單向軸承同時在輪殼內轉動。其中單向軸承要跟轉軸上的鍵(插銷鋼 片)互相配合，否則單向軸承即完全沒意義，輪殼不會轉動，而內部 轉子會空轉。

現實生活中，ㄧ般的齒輪傳動工具，都會用到單向軸承這類的機

械零件，所以鍵的重要性，對於單向軸承而言，就如同大門的鑰匙一

樣。鍵放置的位置如圖 5-5.所示。

圖 5-5. 單向軸承與鍵的位置

5 5 5

5- - -3. - 3. 3. 3. 齒輪比介紹 齒輪比介紹 齒輪比介紹 齒輪比介紹

齒輪為最常用的機械元件之一，現今被廣泛的使用在機械傳動裝 置當中。經由不同的齒輪數組合，可以得到任意且正確的轉速比，利 用齒輪數的增減，可以自由的變換回軸之間的互相關係位置。

本專題所使用下表 5-1 中的平行軸的內齒輪，動力傳輸效率可以 達到 98%以上。一般業界使用的內齒輪都會與外齒輪互相搭配以達到 最高動力傳輸效率的期望結果。

表 5-1. 齒輪的分類跟種類以及各類的效率

下圖 5-6 即為內齒輪與外齒輪搭配的示意圖，圓形的齒輪為內齒 輪，其弧形齒輪為外齒輪其中一段截圖。內齒輪與正齒輪相咬合，是 在圓環內側切齒的齒輪，主要用在行星齒輪傳動機構以及齒輪聯軸器 等應用上。

圖 5-6. 外齒輪與內齒輪示意圖

齒輪箱示意圖如下圖 5-7，其中

Z

代表齒輪數，

n

代表轉速。若 要求齒輪 3 順時鐘轉，那只要下命令讓齒輪 1 順時鐘轉，即讓齒輪 2 逆時鐘轉，而齒輪 2 又使齒輪 3 順時鐘轉，如此即可達到期望結果。

即齒輪與齒輪之間，為不同方向的旋轉。

圖 5-7. 齒輪箱示意圖

5 5

5 5- - -4. - 4. 4. 4. 調速轉把 調速轉把 調速轉把 調速轉把( ( ( (含電源指示燈 含電源指示燈 含電源指示燈) 含電源指示燈 ) ) )

調速手把如圖 5-8 所示。原本使用可變電組調整 0 到 5V 的電壓，

轉換成 0 到 625 格的訊號來控制速度。

而我們使用調速轉把手取代可變電阻以增加便利性，調速把手為 市面上已商品化的成品，共有四條訊號線，分別為紅、綠、藍、黃，

其中紅線接+5V，綠線接調整信號端，藍線接

GND

，而黃線為 24V 蓄

電池的電量指示燈，接+24V。原本使用 0 到 5V 的電壓在轉換成 625

格當控速訊號，但調速把手固定最低輸出 0.85V，最高輸出 4.2V，所

以一開始就將責任週期初始值設為 100 的以快速達到最大動摩擦的

起動轉矩。

圖 5-8. 調速手把跟電源指示燈

5 5 5

5- - -5. - 5. 5. 5. 剎車手把 剎車手把 剎車手把 剎車手把

剎車手把是市面上已商品化的成品，有兩條線紅、白如圖 5-9 所 示。本專題將煞車手把接上剎車電路。平時狀態為開路，當剎車按下，

則兩條線(紅、白)短路，煞車電路動作，使三相變頻器的 PWM 信號停

止即為電氣剎車。

5 5

5 5- - -6. - 6. 6. 6. 電動自行車之機械結構 電動自行車之機械結構 電動自行車之機械結構 電動自行車之機械結構

ㄧ般電動自行車機械驅動模式有分三種 1. 後輪驅動模式

市面上有五成左右都是把電機裝在後輪，以後輪驅動的 方式來動作，這樣一來，雖然直接驅動效率比較高，而且還 可以透過後輪外部本身的齒輪比來調整負載，使蓄電池快沒 電的時候，電機還可以緩慢的動作。

2. 皮帶驅動模式

皮帶驅動的製作方式也是以後輪為主，而利用皮帶去帶 動後輪的轉軸，但皮帶放置在外部，免不了損壞而送廠維修。

比較不經濟。

3. 前輪驅動模式

前輪驅動的方式則是直接帶動整台腳踏車跟負載，所需 要的功率比較大，也不能以外部齒輪比去調整，但是裝置方 便，也不需考慮皮帶等等的問題。目前很多零售電動自行車 的業者，都會建議消費者買這類的腳踏車來自己組裝，也比 較節省人力跟物力去組裝跟維修。所以本專題使用前輪驅動 模式去使電動自行車動作。

5 5 5

5- - -7. - 7. 7. 7. 結語 結語 結語 結語

以上為對控制電路以外的周邊硬體設備的介紹及說明，本章

節把每種硬體分別介紹，其中齒輪比及單向軸承的機械相關知識

是實作中最不熟悉而所要需要了解的，在此章針對機械相關知識

作簡單的介紹。

第 第 第

第六 六 六章 六 章 章 章 實測結果 實測結果 實測結果 實測結果

6.1 前言 前言 前言 前言

使用 dsPIC30F4011 做信號源，產生六步方波給閘極驅動電路，

測量三相變頻器的上下臂驅動電路的輸出點，確定送給三相變頻器的 訊號正確無誤後，同時避免上下臂開關同時導通。當三相變頻器正常 運作後，確立其輸出電壓為六步方波，利用原動機帶動無刷直流電動 機，測量反電動勢波形，並和三相變頻器的六步方波作相位對齊，方 可將原動機移除，再以馬達回傳之訊號透過 DSP 控制板及變頻器帶動 電動機。

最後再將本專題所有的電力電路加裝於自行車上，以相同的方式 帶動自行車上的無刷直流馬達，即完成了電動自行車的製作。

6.2 實測及結果 實測及結果 實測及結果 實測及結果

量測的內容包括霍爾訊號、

PWM

輸出波形、上下臂輸入波形、三 相變頻器產生之相電壓、六步方波及不同轉速下的六步方波。

6.2.1 電壓偵測元件的霍爾信號量測 電壓偵測元件的霍爾信號量測 電壓偵測元件的霍爾信號量測 電壓偵測元件的霍爾信號量測

下圖 6-1 為無刷直流電動機中的霍爾效應偵測元件外接出來的三 條霍爾信號線的每相對地的電壓信號量測。由於單晶片輸入最大電壓 為 5.5V，所以在提升電阻前加入 5V 的電壓，其

H_a

，

H_b

，

H_c

皆為 5V。

因為訊號輸出有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。

由示波器量測的周期推算得知頻率為：

a

相為 31.25HZ；

b

相為

31.25HZ；

c

相為 31.25HZ。

6.2.2 dsPIC 之 之 之 PWM 輸出量測 之 輸出量測 輸出量測 輸出量測

圖 6-2 只量測

a

相的 PWM 輸出，其餘兩相波形各與

a

相相差 120°。

圖 6-2 a相 PWM 輸出 : CH1 為 PWM1 的電壓與頻率波形，CH2 則為 PWM0。

6.2.3 功率級電晶體上 功率級電晶體上 功率級電晶體上、 功率級電晶體上 、 、 、下臂輸入量測 下臂輸入量測 下臂輸入量測 下臂輸入量測

圖 6-3 只量測

a

相的閘極輸入電壓，其餘兩相波形各與

a

相相差 120°。

圖 6-3 上、下臂輸入量測 : CH1 為a相上臂的閘極輸入電壓與頻率，

CH2 則為a相下臂的閘極輸入電壓與頻率。

6.2.4 三相變頻器產生之相電壓 三相變頻器產生之相電壓 三相變頻器產生之相電壓 三相變頻器產生之相電壓

下圖 6-4 為三相變頻器產生之相電壓所量測的波形，其中

a

相電 壓為 32.4V，

b

相電壓為 32.4

_，c

相電壓為 35.2V。

圖 6-4 三相變頻器之相電壓穩態響應 :

CH1 為a相對地的電壓波形，CH2 為b相對地，CH3 為c相對地。

6.2.5 無載六步方波 無載六步方波 無載六步方波(三相變頻器之線對線電壓 無載六步方波 三相變頻器之線對線電壓 三相變頻器之線對線電壓 三相變頻器之線對線電壓)

下圖 6-5 為三相變頻器產生之線對線電壓所量測的波形，其 中

a

相電壓為 48V，

b

相電壓為 48V

，c

相電壓為 48V。因為訊號輸出 有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。以週期推算出頻率：CH1 為 143HZ；CH2 為 143HZ；CH3 為 143HZ。

圖 6-5 六步方波之電壓大小 說明圖 6-5. CH1 為a相對b相的線對線電壓波形

CH2 為b相對c相的線對線電壓波形 CH3 為c相對a相的線對線電壓波形

6.2.6 最大轉速之下的六步方波 最大轉速之下的六步方波 最大轉速之下的六步方波 最大轉速之下的六步方波

命令加速至最大 命令加速至最大 命令加速至最大 命令加速至最大： ： ： ：

下圖 6-6 為調速手把命令值調至最大時，三相變頻器產生之 線對線電壓所量測的波形，其中

a

相電壓為 48V，

b

相電壓為 48V

_，c

相 電壓為 48V。因為訊號輸出有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。

由示波器量測的周期推算頻率得知：CH1 為 250HZ；CH2 為 250HZ；CH3 為 250HZ。

圖 6-6 六步方波之電壓大小

CH1 為a相對b相的線對線電壓波形 CH2 為b相對c相的線對線電壓波形 CH3 為c相對a相的線對線電壓波形

6.3 結語 結語 結語 結語

在經過多次的重複測量跟不斷校正之後，本專題現在可以根據實

測波形的結果，看出理論跟實際上的互相呼應，同時也驗證了本專題

所應用的六步方波控制理論的正確性。雖然目前都是以空載的狀態去

測量波形跟數據，尚未使用到加載跟測量兩用的儀器，但實測結果跟

電動自行車實際運轉負重加載的結果到目前為止仍在穩定的狀態。

第七 第七 第七

b. 第二組為利用 LM324 組成的迴授訊號放大電路。

3. 用人力踩的時候，經過升壓的功率轉換器使直流無刷馬達當成 發電機使用，能有充電效果回充到電池，一方面也是響應環保 節能的觀念。同時電動自行車也達到健身跟便利性的雙贏。

4. 由於目前電路設計在測試階段，所以分為五塊電路板，體積仍 然龐大，因此待各項功能均成熟完備後，規劃將所有使用到電 路板合在一起洗成正式的電路板。

5. 目前使用傳統的脈波寬調變法則(

^PWM

)，若能改用弦式脈寬調 變法則(

SPWM

)或電壓空間向量脈寬調變法則(

VSVPWM

)，更 能減少

PWM

信號之輸出總諧波失真，效率更高，噪音更小，

可利用於各方面控制無刷直流馬達之場合。

參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻

[1] Microchip，“dsPIC30F4011/4012 Data Sheet”，Microchip Technology lnc 2007。

[2] Microchip，”Sensored BLDC Motor Control Using dsPIC30F2010”

，Microchip Technology lnc 2005。

[3] Microchip，”Motor Control Sensor Feedback Circuits” ，Microchip Technology lnc 2003。

[4] Microchip，”Using the dsPIC30F for Sensorless BLDC Control” ， Microchip Technology lnc 2006。

[5] Microchip，”APP009 dsPIC30F4011/4012/2010 Motor Control

Family”Evaluation Board 使用說明” ，Microchip Technology lnc 2004。

[6] 曾百由，”dspic 數位訊號控制器原理及應用”，宏友圖書有限公 司，2006 年 10 月。

[7] http://www.alldatasheet.com/，“US1K Data Sheet”。

[8] http://www.irf.com/，“IR2101S/IR2102S Data Sheet”。

[9] 台灣科技大學電機工程系，”電動自行車驅動系統之製作” 九五

學年度專題報告。

附錄 附錄 附錄 附錄 A A A A 電動自行車法令條文 電動自行車法令條文 電動自行車法令條文 電動自行車法令條文

附錄 附錄 附錄

JP21（3）> Pin21 > PortB.bit2，CN4

JP21（2）> Pin20 > PortB.bit1，CN3

JP21（1）> Pin19 > PortB.bit0，CN2

JP16(1-2)，

JP28（1）> Pin27 >PortB.bit8，AN8，

JP19（5）> Pin25 > PortB.bit6，RB6

JP2（6）> Pin18 > /MCLR

JP2（2），JP3（1） > Pin1 > PortF.bit2，

PGC

JP2（2），JP4（1）> Pin44 > PortF.bit3，

PGD

附錄 附錄

附錄 附錄 附錄

線上串列燒錄時脈輸入腳位。

RB0-RB8 I/O ST PORTB 雙向輸出入埠

RC13-RC15 I/O ST PORTC 雙向輸出入埠

RD0-RD3 I/O ST PORTD 雙向輸出入埠

RE0-RE5, RE8

I/O ST PORTE 雙向輸出入埠

RF0-RF6 I/O ST PORTF 雙向輸出入埠

VDD P - 邏輯及輸出入腳位電源供應正端

VSS P - 邏輯及輸出入腳位電源供應接地參

考點

VREF₊ I Analog 類比模組參考電壓正端

VREF₋ I Analog 類比模組參考電壓負端

符號註解： CMOS＝CMOS 相容的輸出或輸入 Analog＝類比輸入 ST＝附 CMOS 層次的 Schimitter 觸發器 O＝輸出

I＝輸入 P＝電源

附錄 附錄

附錄 附錄 E E E E 轉速閉迴路程式碼及註解 轉速閉迴路程式碼及註解 轉速閉迴路程式碼及註解 轉速閉迴路程式碼及註解

//轉速閉迴路程式碼及註解

#define _dsPIC30F4011_ //含入標頭檔

#include <p30F4011.h> //以下三行為以 p30f4011.h 內之函式鎖定工作環境控制模式

#include "C30EVM_LCD.h"

_FOSC(CSW_FSCM_OFF & HS); //選擇使用外接之振盪器(20Mhz)，選擇 HS 無倍頻之起盪模式 _FWDT(WDT_OFF); //關閉看門狗功能

_FBORPOR(MCLR_EN & PWMxH_ACT_HI & PWMxL_ACT_HI);

//設定電路有重置工能，上 PWM 為正電源動作，下 PWM 為負電源動作

unsigned int HallValue; //霍爾狀態值

unsigned int StateLoTable[]={0x0000, 0x0210,0x2004,0x0204,0x0801,0x0810,0x2001, 0x0000};

//若環境設定內設定上 PWM 與下 PWM 皆為正電源動作則要改用下表

//unsigned int StateLoTable[]={0x0000, 0x0205, 0x2011, 0x0211,0x0814, 0x0805, 0x2014, 0x0000};

//---變數宣告區結束---

{ //前三個為抓由電流取樣電阻取得之電壓經反向放大電路與濾波電路得到之值 if(0.8<= DesiredSpeed < 1.0)

DesiredSpeed=0;

//if(0.9<= DesiredSpeed < 1.0) //DesiredSpeed=0.15;

if(1.0<= DesiredSpeed < 1.1) DesiredSpeed=0.3;

if(1.1<= DesiredSpeed < 1.2) DesiredSpeed=0.45;

if(1.2<= DesiredSpeed < 1.3) DesiredSpeed=0.6;

DesiredSpeed=0.75;

if(1.4<= DesiredSpeed < 1.5) DesiredSpeed=0.9;

if(1.5<= DesiredSpeed < 1.6) DesiredSpeed=1.05;

if(1.6<= DesiredSpeed < 1.7) DesiredSpeed=1.20;

if(1.7<= DesiredSpeed < 1.8) DesiredSpeed=1.35;

if(1.8<= DesiredSpeed < 1.9) DesiredSpeed=1.50;

if(1.9<= DesiredSpeed < 2.0) DesiredSpeed=1.65;

if(2.0<= DesiredSpeed < 2.1) DesiredSpeed=1.80;

if(2.1<= DesiredSpeed < 2.2) DesiredSpeed=1.95;

if(2.2<= DesiredSpeed < 2.3) DesiredSpeed=2.10;

if(2.3<= DesiredSpeed < 2.4) DesiredSpeed=2.25;

if(2.4<= DesiredSpeed < 2.5) DesiredSpeed=2.40;

if(2.5<= DesiredSpeed < 2.6) DesiredSpeed=2.55;

if(2.6<= DesiredSpeed < 2.7) DesiredSpeed=2.70;

if(2.7<= DesiredSpeed < 2.8) DesiredSpeed=2.85;

if(2.8<= DesiredSpeed < 2.9) DesiredSpeed=3.0;

if(2.9<= DesiredSpeed < 3.0) DesiredSpeed=3.15;

if(3.0<= DesiredSpeed < 3.1)

if(3.3<= DesiredSpeed < 3.4) DesiredSpeed=3.75;

if(3.4<= DesiredSpeed < 3.5) DesiredSpeed=3.90;

if(3.5<= DesiredSpeed < 3.6) DesiredSpeed=4.05;

if(3.6<= DesiredSpeed < 3.7) DesiredSpeed=4.20;

if(3.7<= DesiredSpeed < 3.8) DesiredSpeed=4.35;

if(3.8<= DesiredSpeed < 3.9) DesiredSpeed=4.50;

if(3.9<= DesiredSpeed < 4.0) DesiredSpeed=4.65;

if(4.0<= DesiredSpeed < 4.1) DesiredSpeed=4.80;

if(4.1<= DesiredSpeed < 4.2) DesiredSpeed=5.0;

IEC0bits.CNIE = 1; //將輸入改變中斷致能設為 1 表示允許此中斷發生

}

PDC1 = 50; //給定 PDC 初始值

ActualSpeed =ActualSpeed >> 1;

if (ActualSpeed > DesiredSpeed) {

SpeedError=ActualSpeed - DesiredSpeed;

} else {

SpeedError= DesiredSpeed - ActualSpeed;

Flags.Minus = 1;

}

SpeedIntegral += SpeedError; //誤差值積分計算 if (SpeedIntegral > 4500)

SpeedIntegral = 0;

{ //減速以消除過電流情行 PDC1=10 ;

PDC2=PDC1;

PDC3=PDC1;

}

else //若未發生過電流則把新的 DutyCycle 載入 PDC {

PDC1= DutyCycle;

PDC2=PDC1;

PDC3=PDC1;

} return;

}

//---其他功能副程式區結束--- //---此為延遲副程式--- int N=1;

void DelayNmSec(unsigned int N) //此為延遲副程式 DelayNmSec 延遲 1ms 的一個參數；

{ //注意不是只以迴圈數計算，C 語言一個語法可能有多個動 作，須較多工作時間

unsigned int j ; while (N--)

for(j = 0;j < MILLISEC;j++);

}

附錄 附錄 附錄 附錄 F. . . . D D D DSP SP SP 控制器之 SP 控制器之 控制器之 控制器之電路圖 電路圖 電路圖 電路圖

附錄 附錄

附錄 附錄 G 驅動電路之 驅動電路之 驅動電路之 驅動電路之電路圖 電路圖 電路圖 電路圖

在文檔中 電動自行車之電動機驅動器製作 (頁 18-0)