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電機和電源控制中的最新微控制器技術

為了解決qi無線充電原理的問題，作者工業和信息化部人才交流中心，恩智浦（中國）管理有限公司（編著） 這樣論述：

本書全面介紹了當前主流的電機和電源數字控制系統的基本原理、相關控制技術理論和市場應用場景，並針對電機和電源數字控制系統的架構，分享了電機和電源數字控制用的微控制器的基本資源需求，以及市場上主流廠商的技術發展狀況。此外，對基於微控制器的控制軟體編程技術及相關調試技術也進行了總結闡述。除了理論介紹，本書篇幅上著墨于工程實踐的角度出發，介紹基於恩智浦半導體微控制器實現的主流電機類型和電源拓撲的控制案例，分享了實際工程開發中有關微控制器控制的應用經驗和方法。其中電機控制的應用內容包括永磁同步電機（PMSM）的無位置感測器矢量控制（FOC）和有位置感測器的伺服控制、基於轉子磁鏈定向的交流非同步電機（AC

IM）矢量控制、無刷直流電機的無位置感測器控制、開關磁阻電機的無位置感測器峰值電流檢測控制、步進電機的位置開環細分控制和位置閉環伺服控制；電源控制部分則包括以圖騰柱無橋式PFC 變換器和LLC DC/DC 諧振變換器為例的AC/DC 控制，以及符合無線充電聯盟（WPC）Qi 標準的15W 感應式無線充電系統的控制。本書面向已具備一定電機、電源、控制和微控制器基本知識的讀者，可為高校電氣、電力電子專業的研究生和企業工程技術人員提供參考和借鑒。 工業和信息化部人才交流中心（以下簡稱中心）創建於1985年1月，1992年10月成為獨立事業法人單位，工業和信息化部所屬的黨政機關一類事業單位(正局

級)，是經批准，國家事業單位登記管理局註冊登記，是工業和信息化部在人才培養、人才交流、智力引進、國際交流、會議展覽等方面的支撐機構；也是人力資源和社會保障部、工業和信息化部「全國信息專業技術人才知識更新工程」及「信息化工程師」項目實施承辦單位。

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應用於手持式裝置之雙頻近場無線功率傳輸系統

為了解決qi無線充電原理的問題，作者李維庭 這樣論述：

隨著現代工業技術的飛速發展，對於供給電源的便利性、智能性和安全性的需求也日趨上升。傳統有線供電系統在某些應用有其限制或不便性，例如可攜式電器、電動交通工具或是可植入式生物醫學充電設備等。在上述應用中，傳統充電辦法會因其線材而有操作之困難，而無線功率傳輸(WPT)技術的出現無疑彌補了以上缺陷。 然而在現今無線功率傳輸系統中，兩大聯盟的頻帶標準卻大相逕庭，他們分別是AirFuel聯盟(目前以6.78 MHz ±15 kHz為主)以及WPC聯盟(110 ~ 205 kHz)。應用於不同頻帶標準所製造的電器，勢必無法共用於單一頻率的充電器，因此設計出一個能適用於此兩大標準的雙頻充電器

將能大幅提升家用無線充電的便利性。 本論文提出一雙頻近場無線功率傳輸系統，相較於傳統單頻近場無線功率傳輸系統僅適用於單一頻率，多頻近場無線功率系統有著能在不同規格的頻段下、具高功率和快速充電的優點。我們以手機及平板為目標充電產品，設計出能適用於此兩種設備大小的雙頻發射線圈，並能同時符合兩大聯盟的頻帶為特點。使用輸出較為高效率的E類功率放大器和傳統全橋式整流器於本雙頻系統中，並添加一中繼線圈用以提升在低頻環境下之充電效率。

電機和電源控制中的最新微控制器技術

為了解決qi無線充電原理的問題，作者工業和資訊化部人才交流中心 這樣論述：

本書全面介紹了當前主流的電機和電源數位控制系統的基本原理、相關控制技術理論和市場應用場景，並針對電機和電源數位控制系統的架構，分享了電機和電源數位控制用的微控制器的基本資源需求，以及市場上主流廠商的技術發展狀況。此外，對基於微控制器的控制軟體程式設計技術及相關調試技術也進行了總結闡述。   除了理論介紹，本書篇幅上著墨於工程實踐的角度出發，介紹基於恩智浦半導體微控制器實現的主流電機類型和電源拓撲的控制案例，分享了實際工程開發中有關微控制器控制的應用經驗和方法。   其中電機控制的應用內容包括永磁同步電機（PMSM）的無位置感測器向量控制（FOC）和有位置感測器的伺服控制、基於轉子磁鏈定向的交流

非同步電機（ACIM）向量控制、無刷直流電機的無位置感測器控制、開關磁阻電機的無位置感測器峰值電流檢測控制、步進電機的位置開環細分控制和位置閉環伺服控制；電源控制部分則包括以圖騰柱無橋式PFC 變換器和LLC DC/DC 諧振變換器為例的AC/DC 控制，以及符合無線充電聯盟（WPC）Qi 標準的15W 感應式無線充電系統的控制。   本書面向已具備一定電機、電源、控制和微控制器基本知識的讀者，可為高校電氣、電力電子專業的研究生和企業工程技術人員提供參考和借鑒。 第1章 電力電子技術應用綜述 001 1．1 電力電子技術發展現狀 002 1．2 市場應用場景 005 1．3

未來發展方向展望 010 1．4 小結 011 第2章 電機和電源控制簡介 013 2．1 常見電機類型及其控制技術 014 2．1．1 直流電機 014 2．1．2 交流電機 016 2．2 常見電力電子變換拓撲 020 2．2．1 整流電路 021 2．2．2 降壓斬波電路 024 2．2．3 升壓斬波電路 025 2．2．4 升降壓斬波電路 025 2．2．5 諧振變換器電路 026 2．3 感應式無線充電技術 029 2．4 小結 031 第3章 電機和電源控制中的微控制器技術介紹 033 3．1 典型電機和電源數位控制系統架構 034 3．2 電機和電源控制中的微控制器技術概況

036 3．2．1 電機和電源控制中的微控制器技術發展現狀 037 3．2．2 電機和電源控制中的微控制器技術發展趨勢 041 3．2．3 恩智浦半導體電機和電源微控制器產品路線規劃 及主要特點 043 3．3 小結 046 第4章 控制軟體程式設計基礎及相關調試技術 049 4．1 數位控制軟體程式設計基礎 050 4．1．1 信號數位化處理 050 4．1．2 變數定標 052 4．1．3 參數標么表示 053 4．2 即時控制軟體架構實現簡介 054 4．2．1 狀態機 054 4．2．2 時序調度機制 057 4．3 即時控制軟體發展及調試 058 4．3．1 即時控制軟體庫的應用

058 4．3．2 即時調試工具 064 4．3．3 相關調試技巧 068 4．4 小結 070 第5章 永磁同步電機的數位控制 071 5．1 永磁同步電機的數學模型 072 5．1．1 三相永磁同步電機數學模型 073 5．1．2 兩相靜止坐標系的數學模型 074 5．1．3 兩相轉子同步坐標系的數學模型 075 5．1．4 座標變換 077 5．2 永磁同步電機的磁場定向控制 078 5．2．1 電流控制環 079 5．2．2 轉速控制環 082 5．3 轉矩電流比和弱磁控制 083 5．3．1 轉矩電流比控制 084 5．3．2 弱磁控制 087 5．4 無位置感測器控制 092 5

．4．1 基於反電動勢的位置估計 092 5．4．2 基於高頻信號注入的位置估計 096 5．4．3 基於定子磁通的位置估計 099 5．5 電機控制所需的微控制器資源 102 5．5．1 脈衝寬度調製器（PWM）  103 5．5．2 模/數轉換器（ADC）  105 5．5．3 正交解碼器（DEC）  105 5．5．4 計時器（Timer）  106 5．5．5 PWM 和ADC 硬體同步 106 5．6 典型永磁同步電機控制方案 107 5．6．1 帶位置感測器的伺服控制 107 5．6．2 無位置感測器的磁場定向控制 109 5．6．3 典型案例分析―風機控制 110 5．7 小結

125 第6章 無刷直流電機的數位控制 127 6．1 無刷直流電機模型 128 6．1．1 無刷直流電機的本體結構 128 6．1．2 無刷直流電機的數學模型 129 6．2 六步換相控制及所需的微控制器資源 131 6．2．1 無刷直流電機六步換相控制的基本原理 131 6．2．2 六步換相PWM 調製方式及其對電壓和電流的影響 133 6．2．3 六步換相無感測器控制 138 6．2．4 六步換相控制所需的微控制器資源 140 6．3 典型無刷直流電機控制方案 141 6．3．1 基於KE02 的無刷直流電機無位置感測器控制 142 6．3．2 基於MC9S08SU16 的無人機電調解

決方案 148 6．4 小結 152 第7章 開關磁阻電機的數位控制 153 7．1 開關磁阻電機的基本工作原理 154 7．1．1 電機結構 154 7．1．2 電磁轉矩的產生 155 7．1．3 繞組反電動勢 157 7．2 兩相SRM 的數位控制 158 7．2．1 PWM 控制下的繞組導通模式 159 7．2．2 電壓控制方法 160 7．2．3 檢測電流峰值的無位置感測器控制方法 161 7．2．4 電機從靜止開始起動 163 7．2．5 電機從非靜止時開始起動 166 7．2．6 兩相SRM 數位控制所需的微控制器資源 166 7．3 典型方案分析―高速真空吸塵器 167 7．3

．1 系統介紹 167 7．3．2 相電流與母線電壓的檢測 170 7．3．3 電機的控制流程 175 7．3．4 峰值電流的檢測方法 184 7．4 小結 185 第8章 交流感應電機的數位控制 187 8．1 交流感應電機模型 188 8．1．1 交流感應電機的本體結構 188 8．1．2 交流感應電機的控制方法概述 190 8．1．3 交流感應電機的數學模型 191 8．2 轉子磁鏈定向控制 194 8．2．1 轉矩電流比控制 196 8．2．2 交流感應電機弱磁控制 198 8．2．3 定子電壓解耦 199 8．2．4 帶位置感測器時轉子磁鏈位置估算 200 8．2．5 無位置感測器

控制 201 8．3 典型交流感應電機控制方案 206 8．3．1 控制環路介紹 207 8．3．2 低成本電流及轉速採樣實現方案 209 8．3．3 轉子時間常數校正 214 8．3．4 應用軟體設計 215 8．3．5 系統時序設計 216 8．4 小結 218 第9章 步進電機的數位控制 219 9．1 步進電機工作原理 220 9．1．1 步進電機的結構簡介 220 9．1．2 步進電機的工作原理簡介 221 9．2 位置開環的細分控制及所需的微控制器資源 223 9．2．1 細分控制 223 9．2．2 驅動電路和PWM 方法 225 9．2．3 步進電機位置開環的控制結構 228

9．3 位置閉環的向量控制及所需的微控制器資源 229 9．3．1 步進電機向量控制 229 9．3．2 步進電機弱磁控制 231 9．3．3 步進伺服的典型控制結構 234 9．3．4 轉速計算原理及結合微控制器的應用 235 9．4 典型步進電機控制方案 239 9．5 小結 245 第10章 AC/DC 變換器的數位控制 247 10．1 AC/DC 變換器工作原理 248 10．1．1 PFC 基本工作原理 249 10．1．2 LLC 諧振變換器基本工作原理 251 10．2 PFC 的數位控制 254 10．2．1 控制策略 254 10．2．2 電流控制器設計 255 10．

2．3 PFC 數位控制所需的微控制器資源 257 10．3 LLC 的數位控制 259 10．3．1 控制策略 259 10．3．2 LLC 諧振變換器數位控制所需的微控制器資源 262 10．4 典型案例分析―高效伺服器電源 263 10．4．1 圖騰柱無橋PFC 系統實現 264 10．4．2 LLC 諧振變換器系統實現 268 10．5 小結 274 第11章 感應式無線充電的數位控制 275 11．1 感應式無線充電工作原理 276 11．1．1 能量的傳輸方式 277 11．1．2 通信方式及解調簡介 279 11．2 無線充電標準Qi  281 11．2．1 通信方式詳述 28

1 11．2．2 系統控制 283 11．3 Qi 標準感應式無線充電微控制器 289 11．3．1 無線充電微控制器介紹 289 11．3．2 Qi 標準無線充電發射器硬體模組 291 11．3．3 無線充電發射器軟體架構及重要功能實現 293 11．3．4 無線充電重要功能的數位實現方式 296 11．4 無線充電典型應用 301 11．4．1 消費及工業類無線充電發射器 301 11．4．2 車載無線充電發射器 303 11．4．3 恩智浦半導體無線充電發射器主要模組 305 11．4．4 恩智浦半導體無線充電接收器簡介 312 11．4．5 系統主要性能指標 315 11．5 小結 3

18 參考文獻 319

應用於工具機主軸精度檢測儀之無線電能傳輸供電系統開發

為了解決qi無線充電原理的問題，作者劉育齊 這樣論述：

本研究對應用於CNC工具機之光學式主軸精度檢測儀的電源供電系統提出一項解決方法，過去光學式主軸精度檢測儀的電源系統為鋰電池，當需要長時間量測工具機主軸數據並同時校正工具機主軸時，若使用鋰電池為電源供電系統可能會有斷電的風險且造成校正錯誤，而使用無線供電系統具備以下幾項優點，例如：產品會有更好的耐用性、防塵、防水、便攜性、減少更換電池的成本等優點。因此本文所開發的無線電能傳輸系統依照系統架構可分為數位控制電路、閘極驅動電路、全橋換流器電路、電磁場發射線圈、取電線圈、橋式整流濾波電路、降壓式供電電路與光學式主軸精度檢測儀，首先透過數位控制電路MSP430G2553作為電能傳輸系統的控制系統，因其

具備了低成本、較不受雜訊干擾與可程式控制的特性，所以本文可依實驗需求設定數位控制電路的參數並達到預期的效果，有鑒於此本文將使用MSP430G2553所提供的兩組不同相頻率為82 kHz、工作週期為 40 %、死區時間為10%的PWM作為控制訊號，並在數位控制電路後級端設計一個閘極驅動電路，使數位控制訊號可經由閘極驅動電路放大至12-15 V將MOFET開關導通，同時達到數位訊號與類比訊號隔離的效果，並使用全橋換流器的諧振結構將電能透過安培定律將電磁場藉由發射線圈傳送給取電線圈，且透過法拉第定律將感應磁場能量轉換為電流。為了將電能有效的從發射線圈傳輸至取電線圈，基於光學式主軸精度檢測儀尺寸設計一

款符合機構限制及能夠有效傳輸電能的發射線圈與取電線圈並於有限元素分析軟體內進行純線圈的磁場模擬，將發射線圈與取電線圈從空氣間隙10 mm每間隔1 mm進行一次模擬並延續至18 mm，除了線圈的磁場模擬本文也透過電路模擬軟體模擬電路設計的可行性，其中包含了閘極驅動電路、全橋換流器電路、橋式整流濾波電路與降壓式供電電路，從模擬中篩選出最適合的元件，使線圈設計與電路設計能符合本文的需求。當完成了電路架構的設計，取電線圈上的感應電勢即可透過橋式整流濾波電路轉換為直流電，為了符合光學式主軸精度檢測儀的電壓及電流規格，本文在將直流電輸出給光學式主軸精度檢測儀前會先藉由降壓式供電電路降壓成符合光學式主軸精度

檢測儀所需的電壓及電流規格，所以本文選用TPS5410集成式降壓IC作為降壓式供電電路的核心並結合電阻、電容、電感，成功將由橋式整流濾波電路輸出的電壓及電流轉分別轉換為5 V、1 A達到光學式主軸精度檢測儀的供電需求。 除了線圈磁場的模擬，本文也進行了發射線圈與取電線圈電壓電流有效值量測實驗，將發射線圈與取電線圈從空氣間隙10 mm每間隔1 mm進行一次電壓電流的有效值量測並延續18 mm，經由此實驗結果分析無線電能傳輸供電系統適合運作的空氣間隙。綜合上述實驗及模擬分析得知本系統所設計的無線供電系統在10 mm至16 mm的空氣間隙皆可以使光學式主軸精度檢測儀啟動並且與電腦軟體連接進行靜態檢測

與動態檢測，而這段距離正符合目前CNC工具機光學式主軸精度檢測儀設計無線電能傳輸機構模組所需的機構限制，因此可以得知本研究所設計無線電能傳輸符合工業應用，並且可以達到空氣間隙為10-16 mm的無線電能傳輸。