1

電動機車馬達控制技術剖析

班級 : 夜四技自控乙班學號 : 99912109姓名 : 林峻廷指導老師 : 劉雲輝

2

摘要 在環保意識抬頭之下，多數人希望能以電動機車取代空氣污染高的傳統機車，因而極力發展電動機車。目前常見電動機車馬達有刷直流馬達與無刷直流馬達兩種，兩種都有良好的操控性。 馬達除了要有優秀的性能還必須配合良好的控制器與驅動電路，才可產生整合性能優良的電動動力系統。

3

文獻背景 國內電動機車的研發歷史，最早是在位於觀音山五股工業區的康陽機車，在十九年前即開始投入電動機車研發，而在民國 81 年前在台灣開始上市推廣（ City Bike 電動機車），不過在國內銷售並不好，且呈虧損狀態，故目前仍以外銷歐洲為主；另外，經濟部能源委員會亦於民國八十年七月起委託工研院機械所與三陽、光陽、山葉、台鈴、展葉、永豐等六家機車業者及士林、台全等電機業者合作投入開發

ZES2000 雛型電動機車，而於民國 84 年成功研發完成（後改稱為 EC1 ）。

4

電動車原理 電動機車種藉由隨車搭載的電池提供電力，以使控制器控制馬達轉動，復經傳動機構驅動行駛的交通工具

5

電動機車剖面圖

動力馬達 有刷直流馬達無刷直流馬達

6

有刷無刷

7

直流有刷馬達：有碳刷，定子是永久磁鐵，旋 轉部分（轉子）是電樞，由繞組與鐵心所構成， 因流過電流而產生轉矩。直流無刷馬達：無碳刷，轉子為永久磁鐵，繞組 ( 電樞 ) 在定子上。

8

有刷直流電馬達剖面圖

9

無刷直流馬達剖面圖 and 結構圖

無刷直流馬達剖面圖 無刷直流馬達結構圖

10

直流有刷馬達與直流無刷馬達比較表

11

脈波寬度調變 (PWM)所謂脈波寬度調變信號就是一連串可以調整脈波寬度的訊號，它可以用簡單的方法改變某個方波的比例， 也就是工作週期。對有刷直流馬達來說， PWM 主要是要對電橋上的四組功率晶體做 ON或 OFF 的動作，藉此控制馬達轉速或是方向。當 ON 的時間越長相對的電壓提升，流進馬達的電流跟著增加，馬達輸出的扭矩就會變大，當扭矩大於外部負載時就會產生角速度，馬達轉速就會加快，反之 ON 的時間越短，轉速就會跟著變慢；方向控制方面，以有刷直流馬達常用的 H 電橋為例，如下圖 1 所示，當開關不同功率晶體使電流流經馬達方向改變時，就會使馬達產生正轉或反轉。

圖 1

12

為了避免功率晶體 Q1 在 ON/OFF 交換時間時，發生與功率晶體Q4 同時 ON 的狀況造成短路， PWM 則有了 Dead-Band 功能，可在發生短路時間段強制為 OFF ，如圖 2 ，圖 3 所示。

ON

ON

ON

ON

OFF

OFF

OFF

OFFQ1

Q4

理想的電晶體

實際的電晶體

圖 2 PWM 輸出波形

圖 3 PWM 使用 Dead-Band 輸出波形

13

由於無刷直流馬達是為多相馬達，需靠霍爾元件來感測轉子位置，再以PWM 來控制馬達，以三相無刷直流馬達為例，如圖 4 所示，三個霍爾元件依據其排列安裝方式，可分成具相互成 60 度角或 120 度角兩種，因此每隔馬達旋轉角度 60 度或 120 度時，其中有一個元件就會變換其狀態，再根據輸出訊號狀態， PWM將輸出控制訊號至對應功率晶體，產生正確換相步驟。

圖 4 無刷直流馬達伺服系統

14

有刷直流馬達主要由 PWM去控制電橋上的四組功率晶體來進行正反向及速度的控制。由於單純 PWM 控制可能無法達到理想的狀態，此時可以加入電流的回授補償讓 PWM效率提高。另外速度回授與位置回授可透過光學編碼器來得到。對伺服馬達的控制應用上，使用多重迴路的控制設計，是有必要的，因為只有將內層反應速度較快的控制迴路，控制得宜之後，方能使外層的迴路自然的擁有良好的響應。

圖 10 有刷直流馬達伺服系統

15

結論國外開發的電動機車最快時速已可達 160km/h[8] ，續航力也可達到 160km ，甚至在幾年前也開始了電動機車的賽事，這已經打破了大家對電動機車的刻板印象，沒想到電動機車也可以如此狂飆，往後電動機車的發展勢必蔚為風潮。國內目前正積極的投入金錢與人力開發性能更加優異的電動機車，只要在馬達、馬達控制與新型電池開發能有所突破，使得馬力與續航力能更加提升，未來電動機車要全面取代傳統機車不再是遙不可及的想法。

16

參考文獻● Jianbo Cao, Binggang Cao, Zhifeng Bai,and Wenzhi Chen, “Energy-RegenerativeFuzzy Sliding Mode Controller Design forUltracapacitor-Battery Hybrid Power of Electric Vehicle,” in Proc. International Conference on Mechatronics and Automation, pp. 1570-1575, Sept., 2007.

● 「直流有刷馬達基本構造」，國立成功大學馬達科技研究中心， 2008 ，取自http://emotors.ncku.edu.tw/

● 孫清華編譯，「最新無刷直流馬達」，全華科技圖書， 2001 。● 吳南億，「以位數信號處理器為基礎之電動機車無刷馬達驅動器」，國立中山大學電機所碩士論文， 2000 。

“TMS320F2809, TMS320F2808,TMS320F2806, TMS320F2802,TMS320F2801, UCD9501, TMS320C2802,TMS320C2801 Digital Signal Processors Data Manual”, Texas Instruments, 2006.

●