臺北科技大學電機工程系研究所學位論文
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本論文提出一種新式切換頻率調變控制技術，適用於主機板上的同步整流降壓型轉換器。此種變頻控制技術乃是當負載變輕時，將切換頻率調高，而負載變重時，則調低切換頻率。藉由此變頻控制技術不需額外增加輔助開關及其他的儲能元件即能實現零電壓切換並進而提升效率。為了避免導通損失過度增加，並使輸出電壓漣波能夠控制在規格內，有鑒於這些切換頻率限制等因素，在本控制方法中設定一負載電流之臨界點，當負載進一步增加時，則基於此臨界電流值而不再降低切換頻率。最後，本論文實際製作一組八相同步整流降壓型轉換器，並與傳統定頻在250kHz之控制技術相比較，藉以驗證所提切換頻率調變控制技術之良好性能。相較於傳統定頻切換技術，於八相同步整流降壓型轉換器加入所提之切換頻率調變控制技術後，其效率最高可改善約9%。
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本論文主要將新型零電流切換輔助電路應用在單相半橋式功率因數修正器，使主開關具有零電流切換功能，降低切換損失以提高效率。在主開關上加置零電流輔助電路不會產生額外的電流應力，而且利用電路當中的電流路徑僅流過輔助開關電路的特性來降低導通損失。所提新型零電流切換半橋式功率因數修正器採用平均電流模式作為控制方法，使電路操作在連續導通模式下，達成功因修正效果。 再者，半橋式功率因數修正器之輸出端因採用雙電容架構，具固有的電壓不平衡現象，在本論文中亦加以補償，使電路更臻完善。最後本論文規格輸出功率400 W，切換頻率30 kHz，交流輸入90~110 Vac以及輸出直流400 Vdc，實驗結果用以驗證所提理論正確性。
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為了探討通道衰減程度對分碼多工/非同步阿囉哈協定網路的影響，本論文在分碼多工/非同步阿囉哈協定網路加入有限狀態馬可夫通道條件，分析其網路吞吐量效能。當封包傳送時，藉由多使用者干擾準位的擾動，計算出封包錯誤機率，並得到考慮封包與時間重疊的吞吐量。假設干擾封包產生方式遵循卜松(Poisson)過程，以排隊理論M/M/∞數學模型來建置，可用以分析當傳送的封包為固定長度，或可變的固定長度時，封包於網路上之吞吐量效能(throughput performance)。
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本論文提出一種新式即時校準系統，校準移動式機器人與視覺式智慧型空間的相對關係，並於智慧型空間下控制與導航移動式機器人。本論文利用多台相對關係未知的空間攝影機作為智慧型空間的感測元件以觀察機器人上所安置的特徵點並找出其在影像上的位置，再結合機器人在現實空間的位置資訊並代入所設計的新式即時校準系統以更新移動式機器人與當前空間攝影機的相對關係，並搜尋空間攝影機在環境中可視範圍重疊之區域以求得其相對關係。本論文所提出的架構已藉由移動式機器人Dr Robot x80於多台IP 攝影機構成的智慧型空間中成功驗證此系統。
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由於網際網路具有傳輸延遲和封包遺失的特性。為了解決此問題，本論文考慮傳輸延遲和封包遺失的網路控制系統，並對其進行穩定度分析與控制器設計。 首先，我們採用區間型Type-2 T-S糊模系統將網路控制系統模式化，並採用平行分佈補償法的概念來設計區間型Type-2 T-S模糊控制器，其歸屬函數適合度可利用類神經網路調整。在穩定度分析方面，則由選定的李亞普若夫泛函，推導出系統的穩定條件，該條件不需受限於延遲變化率的上限小於一，表示延遲在給定的範圍內可快速變化。利用上述條件，本研究推導出新的控制器設計方法並將其轉換為線性矩陣不等式型式，使用Matlab LMI Toolbox可解得所需的控制器增益矩陣。此外，本論文使用仿電磁吸斥優化演算法搜尋網路控制系統時間延遲容忍上限，以增強網路控制系統的控制效果。 最後，根據本論文所提出穩定度分析及控制器設計的結果，利用數值範例進行模擬與討論。模擬結果驗證了本論文所提出模糊控制器設計理論的正確性與性能。
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針對偵測馬達旋轉故障，本論文建立一個智慧型診斷系統，利用無線感測器節點讀取馬達振動訊號，再利用動態結構類神經網路進行故障分類，並配合統計製程管制技術以鑑別出馬達旋轉故障類別。 由於馬達於工廠實際運轉時，容易遭受到雜訊干擾，使得類神經網路誤判故障特徵或是產生暫時性的異常情況，因此已有學者利用統計製程管制技術進行輔助判斷。傳統的Shewhart管制圖技術只適用於變化量較大的情況，當馬達發生故障訊號產生時，無法馬上偵測得到故障，所以本論文引入指數加權移動平均(EWMA)管制圖技術以解決上述問題。此技術是利用過去及現在觀察值的加權平均，配合權重值設定來調整管制的上下界限，因此可以診斷出比較小的變化量，尤其當馬達有故障趨勢時，可以即早偵測。 最後，本論文建立使用無線感測器的馬達故障診斷系統並進行實驗以分析、比較EWMA與Shewhart管制圖。所研發的系統可以無線的方式收集振動資料並輸入至用MATLAB撰寫的濾波、故障分類診斷及統計製程管制等功能模組，然後在Visual Basic所製作的人機介面中整合及呈現分析結果。由實驗結果可知，和Shewhart管制圖相比較， EWMA管制圖具有較高的正確率。
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本論文提出一套視覺式智慧型空間與移動式機器人相互配合之地圖建立系統，視覺式智慧型空間採用多台IP(Internet protocol)攝影機為感測元件，分別監控著不同但相互有重疊部分的區域且未知彼此位置關係，移動式機器人上安裝兩套視覺系統，分別為紅外線濾鏡搭配主動式紅外線之單眼視覺系統及主動式雷射光之單眼視覺系統。此地圖建立系統由各自的攝影機擷取投射於環境中之光束，並將所擷取到的光束重建於現實三維空間中，藉此重建環境之輪廓，對應於機器人目前所在區域之攝影機，透過放置於機器人上之格點特徵，即時校準出彼此之間位置關係。移動式機器人透過紅外線及雷射光探索與IP攝影機校準資訊相互結合，即建立出以該IP攝影機為主的環境地圖，並藉由移動式機器人搜尋空間攝影機可視範圍重疊區域，求得IP攝影機之間的相對關係，據此可將建立之地圖整合成智慧型空間地圖，使機器人進行控制任務。本論文於室內空間中架設多台IP攝影機以建構智慧型環境，並以自製移動式機器人驗証所提出之地圖建立系統，實現移動式機器人於視覺式智慧型空間之導航與控制。
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本論文旨在設計與實現數位寬頻高速網路橋接傳送晶片。本研究主要是建立乙太網路(Ethernet)與非同步傳輸模(ATM)間之轉換器及橋接器之傳送電路，並搭配時脈管理系統進行資料封包流量的管理，使該轉換器同時享有ATM及Ethernet技術的優點。並將此IC 化成為一種專用晶片(ASIC)，藉此提昇寬頻網際網路的即時切換能力與系統穩定度，同時掌握專用混合訊號晶片的開發與整合技術，有效縮小晶片尺寸，降低生產成本，達到提昇網路產品的技術層次與競爭力的目的。 本論文主要可分為三大電路部份：數位電路、類比電路和混合訊號電路。在數位電路部份，主要是建立開發並整合異位傳輸模(ATM)之轉換器/橋接器上的乙太網路介面及其運作方法，並利用時脈管理系統以先進先出(FIFO)之方式進行資料封包流量的管理，其晶片面積為1.5 × 1.5 mm2，其功率消耗為83.8 mW，傳送資料流通量最高可達173 Mbps。在類比電路部份，我們實現一網路類比前端發射器，該發射機主要包括有:10位元100 MHz之數位類比轉換器及電流模式之全差動線驅動器與低通濾波器三大部份，其晶片面積為1.4 × 1.4 mm2，功率消耗為51.7mW，經由量測後，其輸出電壓可至1.75 Vpp，總諧波失真(THD)為-30.94 dB。最後為混合訊號電路，此為網路傳送電路，包含數位實體層介面、數位類比轉換器、一階低通濾波器以及線驅動器，主要是將網路數位資料透過數位類比轉換器轉成類比訊號，此類比訊號經由低通濾波器過濾不必要的高頻訊號，再輸入至線驅動器，進而將此類比訊號放大並輸出至傳輸線上，以完成發射動作。其晶片面積為2 × 2 mm2，其功率消耗為43.8 mW，傳送資料流通量可達183 Mbps。
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本文旨在探討直流無刷馬達以及變頻器的控制技術。本文提出了適用於直流無刷馬達驅動器的無感測器控制技術以及降低換相電流漣波技術，並且提出應用於變頻器的盲時消除技術以及變頻器的三相電流重建技術。 本文首先分析直流無刷馬達驅動器之脈波寬度調變訊號與馬達浮接相電壓的關係，並且由分析的結果發展出一個不需要轉軸感測器以及濾波器的直流無刷馬達控制技術；使其無需任何的相位補償以及系統參數便能具有寬廣的調速範圍。而實驗結果亦證實採用本文之無感測器控制技術時，直流無刷馬達在導通責任週期由5 %變化至95 %的情況下皆能穩定運轉。 其次，本文分析換相電流漣波的產生原因，並且提出一個可降低直流無刷馬達之換相電流漣波的控制技術；藉由降低直流無刷馬達之換相電流漣波的方式，進而改善其換相轉矩漣波。並且由實驗結果證實了在採用本文之降低換相電流漣波技術的情況下，直流無刷馬達換相時的相電流漣波最低可降至電流命令的0.1 p.u.。 接著，本文提出一應用於變頻器的盲時消除技術，藉以減少變頻器的輸出電壓損失以及降低其輸出電流諧波。同時以平均電流的觀念，克服電流零交越處因電流漣波造成電流極性判斷不易的缺點，並且不需要回授馬達的電流訊號。而實驗結果亦證實採用本文之盲時消除技術時，變頻器的電流總諧波失真最低可下降至0.7 %。 最後，本文提出了可使用於變頻器的電流重建技術，其僅以單一電流感測器便能重建變頻器的三相電流訊號；本文所提出的方法除了能有效拓展向量空間中的電流可重建範圍，更可以減少變頻器所產生的共模電壓。而由於本文所提出的方法只需要一個電流感測器，所以可大幅降低變頻器的硬體製作成本。並且實驗結果可以證實採用本文之電流重建技術時，當參考電壓向量由1.15 p.u.至0.103 p.u.的情況下皆能重建變頻器的三相電流訊號。
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本文旨在設計與分析數位化電流模式控制之直流-直流轉換器，首先利用狀態空間平均法建立連續時間下的轉換器數學模型，以數值積分法將連續時間系統下的電源轉換器模型轉換至離散時間系統下的電源轉換器模型。接著建立與實現以FPGA為控制平台的數位化峰值電流模式直流/直流轉換器，利用多重電流回授取樣與具斜率補償之電流命令完成峰值電流模式控制，並以峰值電流模式控制的數學模型設計一數位控制器及分析斜率補償對穩定度的影響，由模擬及實測結果驗證理論分析與設計。 再者，本文提出一應用於直流/直流電源轉換器的前緣調變預測型峰值電流控制模式，此控制模式以低取樣頻率的ADC所取樣的電感電流與系統參數預測下一切換週期所需之責任週期，且由分析證明無斜率補償機制亦可抑制一般峰值電流控制受擾動後不穩定的問題。前緣調變預測型峰值電流控制模式能提供DPWM等效於1-bit-dither控制，使得DPWM的有效解析度增加並降低有限週期震盪的發生，藉由電路模擬及實測結果驗證理論分析。 最後本文提出一自我啟動技術以改善控制參數需預先設定之問題，適合應用於低取樣頻率之數位電流模式控制，並以自我啟動技術來實現後緣調變峰值電流模式控制，由實驗結果驗證控制特性。