本論文目的為設計並實現風扇馬達轉速控制驅動電路，應用於雙相半波無刷直流風扇，並於系統中加入馬達線圈電流限制器、輸出級Snubber緩衝電路以及鎖死偵測與自動再啟動電路，以加強驅動電路之穩健性。而風扇馬達轉速控制方面，除了開迴路式固定頻率PWM控制方法，另外採取數種以同步轉速估測訊號回授的閉迴路式控制策略，改善風扇馬達操作於開迴路式轉速控制時，產生高頻激磁噪音及額外功率消耗等問題。最後提出無感測器驅動技術，取代霍爾感測器來檢知轉子位置，且無感測器驅動器亦可使用閉迴路式控制策略作轉速控制，達到風扇馬達驅動器之成本降低、體積小型化及控制效能良好等目標。

The design and implementation of speed control driver, which is applied to two-phase brushless DC fan motor is presented in this thesis. In addition, motor coils current limiter, output-stage Snubber circuit, and lock detection and auto-restart circuit are added to the driver for the sake of increasing stability and robustness. Because of high frequency energizing noise and dispensable power consumption problems generated by open-loop fixed frequency PWM speed control approach, several closed-loop speed control methods with speed estimation signal feedback are adopted for improvement. Furthermore, this thesis proposes a sensorless driving control strategy to eliminate Hall sensor in rotor position detection, and similarly has closed-loop speed control methods to achieve the goal of driver cost reduction, size decrease, and good control performance.

中文摘要...............................................................................I
英文摘要..............................................................................II
目錄......................................................................................III
圖目錄..................................................................................VI
表目錄..................................................................................XII
第一章 緒論.........................................................................1
1.1 研究動機與背景...........................................................1
1.2 研究方法與系統描述..................................................2
1.3 論文大綱簡介...............................................................5
第二章 無刷直流風扇馬達操作原理與驅動器系統架構.7
2.1 雙相半波直流風扇馬達介紹......................................7
2.1-1 雙相半波無刷直流風扇馬達之構造.....................7
2.1-2 雙相半波無刷直流風扇馬達之規格.....................9
2.1-3 無刷直流風扇馬達之數學模型............................12
2.2 霍爾感測器..................................................................16
2.2-1 霍爾感測器之轉子位置檢測原理.......................16
2.2-2 使用霍爾感測器之轉速估測方法.......................19
2.3 無感測器之轉速估測方式........................................21
2.3-1 無感測器之換相控制原理....................................21
2.3-2 無感測器之轉速估測方法....................................22
第三章 具有霍爾感測器之轉速控制驅動器設計與模擬.24
3.1 驅動器電路的設計.....................................................24
3.1-1 差動輸入放大級之設計.........................................25
3.1-2 換相邏輯電路之設計.............................................26
3.1-3 輸出級與Snubber緩衝電路之設計.....................27
3.1-4 馬達線圈電流限制器.............................................34
3.1-5 鎖死偵測與自動再啟動電路................................36
3.2 轉速控制策略..............................................................41
3.2-1 開迴路固定頻率PWM控制....................................41
3.2-2 閉迴路主動積分式迴授控制................................43
3.2-3 閉迴路One-Multi Shoot式迴授控制....................46
3.2-4 閉迴路等比例轉速式迴授控制...........................48
3.3 轉速控制驅動器的模擬............................................52
3.3-1 模擬開迴路固定頻率PWM控制...........................52
3.3-2 模擬閉迴路主動積分式迴授控制.......................55
3.3-3 模擬閉迴路One-Multi Shoot式迴授控制............59
3.3-4 模擬閉迴路等比例轉速式迴授控制...................62
第四章 無感測轉速控制驅動器之分析與設計...........67
4.1 無感測器模式下啟動及換相原理分析..................67
4.1-1 風扇馬達啟動原理及方法分析............................67
4.1-2 正常運轉後換相訊號控制原理及分析...............70
4.1-3 相關換相訊號與風扇馬達全轉速之關係討論..72
4.2 無感測驅動器電路的設計........................................74
4.2-1 轉子靜止位置偵測電路之設計............................76
4.2-2 啟動訊號控制電路之設計....................................77
4.2-3 反電動式偵測電路之設計....................................80
4.2-4 換相邏輯及多工選擇器電路之設計...................81
4.3無感測轉速控制策略..................................................83
4.3-1 供應電壓調變控制.................................................83
4.3-2 無感測閉迴路One-Multi Shoot式迴授控制.......87
4.3-3 無感測閉迴路等比例轉速式迴授控制...............89
第五章 硬體電路實現與實驗結果分析........................91
5.1具有霍爾感測器之轉速控制驅動器實驗結果分析91
5.1-1 開迴路固定頻率PWM控制................................... 91
5.1-2 閉迴路主動積分式迴授控制................................98
5.1-3 閉迴路One-Multi Shoot式迴授控制..................105
5.1-4 閉迴路等比例轉速式迴授控制.........................113
5.2無感測轉速控制驅動器實驗結果分析.................120
5.2-1 供應電壓調變控制...............................................120
5.2-2 無感測閉迴路One-Multi Shoot式迴授控制.....126
5.2-3 無感測閉迴路等比例轉速式迴授控制............135
第六章 結論與未來展望................................................144
6.1 結論.............................................................................144
6.2 未來展望....................................................................145
參考文獻...........................................................................146

[1] Jacob L. Lassen, Saupstad (NO), “Sensorless Control of Two-Phase Brushless DC Motor,”US 2006/0186846 A1, Aug. 24, 2006.
[2] Masataka Nonaka, Kyoto-shi (JP), “Sensorless Motor Driving Device,” US 2006/0076910 A1, Apr. 13, 2006.
[3] ROHM Datasheet, “2-phase half-wave motor predriver BA6406F,” 2006.
[4] ROHM Datasheet, “2-phase half-wave motor driver BA6407AF,” 2006.
[5] ROHM Datasheet, “2-Phase half-wave motor pre driver for fan motor BA6901F,” 2006.
[6] SUNON Datasheet, “Maglev Power Motor Fan / Power Motor Fan,” 2006.
[7] SANYO Datasheet, “LA8500M PRODUCT OUTLINE,” 2005.
[8] ATMEL Application Note, “Sensorless Control of Two-Phase Brushless DC Motor AVR440,” 2005.
[9] Masataka Nonaka, Kyoto (JP), “Motor Driving Device,” US 6,731,086 B2, May 4, 2004.
[10] ZETEX Datasheet, “ZXBM1015 VARIABLE SPEED SINGLE-PHASE FAN MOTOR CONTROLLE,” 2004.
[11] SEI Datasheet, “Specification for Approval, Model NO: D4008B05MD-001,” 2004.
[12] Biing-Huang Huang, Taipei (TW), “Motor Speed Control Circuit Having A Synchronous PWM Signal,” US 6,621,242 B2, Sep. 16, 2003.
[13] A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr. Stephen D. Umans, “Electric Machinery,” Sixth Edition, McGraw Hill, 2003.
[14] András Lelkes, Jens Krotsch, Rik W. De Doncker, “Low-Noise External Rotor BLDC Motor for Fan Applications,” IEEE 2002.
[15] FAIRCHILD Datasheet, “2 Phase Half Wave BLDC Motor Driver FAN8404D,” 2002.
[16] NICERA Datasheet, “High output type Hall Element ,NHE520SR,” Nov. 2001.
[17] http://www.cme.org.tw/technology/
[18] 張纈贏, “單相全波無刷直流風扇馬達驅動器之研製” 國立中山大學電機工程系碩士論文, 民國95年10月。
[19] 張肇中, “單相全波風扇馬達驅動晶片之設計” 國立中山大學電機工程系碩士論文, 民國94年07月。
[20] 胡哲深, “具脈波寬度調變速度控制之風扇馬達驅動晶片研製” 國立中山大學電機工程系碩士論文, 民國94年07月。
[21] 張人偉, “以DSP為基礎具低轉速速度估測之感應馬達無感測器驅動器” 國立中山大學電機工程系碩士在職專班論文, 民國92年12月。
[22] 江炫樟 編譯, “電力電子學” 全華科技圖書, 民國92年07月。
[23] 孫清華 編譯, “最新無刷直流馬達” 全華科技圖書, 民國90年12月。
[24] 胡仁傑, “以數位信號處理器為基礎之在線式不斷電系統電源裝置” 國立中山大學電機工程系碩士論文, 民國90年06月。
[25] 杜慶豪, “高性能電動機車無刷直流馬達驅動器之製作” 國立中山大學電機工程系碩士論文, 民國89年06月。
[26] 盧明智、黃敏祥 編著, “OP Amp 應用+實驗模擬” 全華科技圖書, 民國87年06月。
[27] 梁適安 編譯, “高頻交換式電源供應器原理與設計 第二版” 全華科技圖書, 民國84年。