第 一 章

機電整合概論

1.1 機電整合的範圍與相關技術

1.2 機電整合構成元件

1.3 機電整合的應用範圍

1.4 本書內容介紹

2

英文 Mechatronics 是由機械的英文 Mechanical 及電子的英文

Electronics 兩個字組合而成，在台灣譯為「機電整合」，在日本則稱

為「電子機械學」，它是於 1969 年首先由日本川崎電氣公司一位資深

工程師 Tetsuro Mori 先生所提出，一直被應用至今。

依據 1996 年出刊的 IFEE/ASME Transactions on Mechatronics第

一卷(Vol.1)的第一、二集（No.1 與 No.2）所述，機電整合的定義為：

1. 以學理而言，包括機械、電子與資訊；

2. 以對象而言，涵括元件、模組、產品或系統；

3. 其目標是達到設備的功能要求與設備之間的聯結。

機電整合的形成是時代的趨勢所造成，綜觀人類的進步過程，由

最早期人類，用人力或是動物搬運、推磨⋯等工作，直至瓦特成功改

良蒸汽機後，人類才開始以蒸汽力取代人力，到了電動機、氣壓、油

壓的發明，人類不但使用它們完成原先的任務外，達到人類所不能作

的事，這段進步的歷史，經歷了 200 多年，這段過程還不算是機電整

合已經形成，直至迴授信號重要的零件感測器發明與使用，才正式

產生機電整合，再加上半導體技術的發展，人類使用積體電路零件及

電腦，使機電整合走向智慧化。

機電整合的範圍極為廣泛，以工具機為例，早期工具機的構成，

離不開機架、移動或轉動零件、動力傳動機構、夾持機構以及更重要

的動力來源馬達，以現代的機電整合技術，它不算是完成整合成

功；因為現代的工具機使用伺服馬達作為驅動動力，使用精密滑軌作

為平台的移動基座，使用位置感測器、監控刀具及轉軸的移動位置，

更以電腦作系統整合，將工具機作精密的控制，使機械製造，更為準

確、快速；並以通訊技術，將整廠設備整合，甚至遠端搖控設備，達

到智慧化工廠。

第一章 機電整合概論

3

本章將針對機電整合的範圍與方法作概括性的介紹，並介紹本書

所含蓋內容。

1.1 機電整合的範圍與相關技術

機電整合範圍包含機械工程、電子（電機）工程、控制工程及電

腦（處理機）；原本控制工程與電腦結合，將自動化控制由類比控制

提昇至數位控制，再與機械工程整合成為 CAD 系統⋯⋯等等，而其

相關技術有材料科技、生物科技、製造技術、化工系統、醫療技術、

通訊技術⋯⋯等等，如圖 1-1 所示。

圖 1-1 機電整合的整合範圍與相關技術

4

1.2 機電整合構成元件

機電整合系統是使用如圖 1-1 的各種技術所製造的各種元件，並

將其整合在一起。一般而言，機電整合系統，可大致歸類為四部分：

控制器 (Controller)、感測器 (Sensor)、致動器 (Actuator)與受控制系統

（如機構(Mechanism)），如圖 1-2 所示。

圖 1-2 機電整合的組成架構

控制器包含硬體及軟體，其中軟體即是控制法則及不同的控制形

式，控制法則有比例控制、比例微分控制、比例微分積分控制、最佳

控制、適應控制、可變控制及模糊控制等，控制形式如程序控制、順

序控制。

硬體則由類比元件到數位元件進而用電腦來完成，如 PLC、微處

理機以及電腦，亦即將控制法則寫成各種程式或邏輯，以 PLC、微處

理或電腦來執行程序的進行，進而輸出信號至放大器及致動器。

介面電路含 D/I、D/O、D/A、A/O 等電路，分別作信號的傳輸與

轉換，放大器的作用是將控制器的輸出信號轉變為較大信號，用以推

動致動器；而致動器的種類依受控制系統不同而有許多不同種類，當

受控系統是作旋轉的機構時，則致動器為各種伺服馬達或各種氣缸、

液壓缸；若受控系統是作直線運動，則可由旋轉運動以機構方法改為

直線運動或直接用線性致動器，如線性馬達或線性液氣壓缸。

第一章 機電整合概論

5

感測器不但是模擬人體各種生理感知系統外，尚有超出人體知覺

範圍的感測器，如紅外線測溫度感測器、聲音音波感測器，加速度感

測器⋯⋯等。

1.3 機電整合的應用範圍

機電整合的應用範圍甚為廣泛，從工業界、交通運輸、辦公室自

動化、家庭電器產品、3C 系統、醫學工程、遠端照護系統⋯⋯等

等，不盛枚舉。

人類從瓦特改良蒸汽機開始，造成一波工業革命，人類文明有了

巨大的進步，生命的價值得到提昇，不需用太多勞力、太多時間去作

一成不變的工作，直到 20 世紀，半導體技術突飛猛進，生產各種電

子零件與電腦，使機電整合更加人性化、智慧化，無形中不只造成另

一波的工業革命，人的社會形態也有所改變，再加上網路通訊技術，

使“整合＂不只是“機＂與“電＂的整合，而是整合各種工程、各種

技術，甚至整合世界各地區的人、事、物，使地球村更加踏實的呈

現。

1.4 本書內容介紹

本書將機電整合必備的基礎分為十章，包含基本電路與元件，電

子儀器介紹與實習、光學簡介、類比運算放大器應用與實習、數位電

路、感測器、致動器、控制系統的數學模型建立，以及基本控制概念

與控制器介紹。

6

其中基本電路及元件與儀器介紹與實習是入門，而數位電路與類

比電路是機電整合必備的電路設計基礎，感測器與致動器分別討論機

電整合系統常用的測量元件及產生動作的設備，至於模型建立與控制

器介紹是將機電整合系統作數學分析以及控制器設計的基礎。

第一章 機電整合概論

7

課後習題與討論

1. 按照圖 1-1 的分類方法及圖 1-2 機電整合組成架構，分析自動溫控

冷氣機的機電整合零組件名稱、相關科技技術、並畫架構圖。

2. 智慧型手機算不算機電整合產品，如果您認為是，請按習題 1 的方

式分析之，如果您認為不是，請問為什麼？

3. 以關鍵字“改變世界的發明家＂搜尋詹姆斯‧瓦特的影片，仔細觀

看後，回答下列問題：

(1) 詹姆斯‧瓦特改良成功的蒸汽機，是否為機電整合系統，如果

你的答案為是，請問為什麼？

(2) 承(1)，如果你的答案為“不是＂，請幫他所改良的蒸汽機，加

上必要的設備，使其符合機電整合系統，並說明之。

4. 在 youtube觀看網址“http://www.youtube.com/watch?v=2STTNYNF4lk＂

“Nao Robot＂機械人，請問：

(1) “Nao Robot＂裝有那些感測器？

(2) “Nao Robot＂被拌倒後能站起來，請分析它的動作，並畫出如

圖 1-2 的流程圖。

8

第 二 章

基本電路與元件

2.1 電流與電壓

2.2 電阻

2.3 電感

2.4 電容

2.5 二極體

2.6 雙極性接面電晶體

2.7 串級放大電路

2.8 光耦合器

2.9 場效電晶體

2.10 積體電路

2.11 其它電子元件

10

打開身邊的 3C 產品或其它電器產品的外殼，發現的不是齒輪、

螺桿、軸⋯⋯等機械零組件，而是許多電子元件，它們井然有序的排

列著，有點像 Google 網站地球表面的空拍圖。假如產品的電路比較

複雜，電路板更是一層一層的堆疊。要看懂它們，必須從基本電路及

基本元件作為開始。

無論何種電路，都是由一些基本電子元件所構成，這些電子元件

像積木堆疊著，它們的排列有一定的規則，而此規則即是電子電路原

理及電子元件的特性。

本章目的是學習電子電路相關基本原理及基本電子元件的特性與

使用。

2.1 電流與電壓

2.1.1 電流(Current)

單位時間，電荷流過一導體截面的淨電荷量，如圖 2-1 所示。

圖 2-1 電流定義示意圖

第二章 基本電路與元件

11

其平均電流量為

av

QI

t

........................................................................... (2-1)

Q ：淨電荷量

t ：單位時間

avI ：平均電流

電流的單位為安培。

測量電路中電流量的儀器為電流錶或稱安培計(Ammeter)。

2.1.2 電壓(Voltage)

電可以在導體上流動，導體兩端存在電位差，電荷由高電位能流

向低電位能時，所作的功，除以通過的電荷量，稱為電壓，以方程式

表示為

AB

WV

Q ........................................................................... (2-2)

W：電荷所作的功

Q：電荷量

ABV ： 電荷由高電流 A 點流至低電位 B 點，A、B 兩點的電位所

降低的能量，作為驅動 A、B 間元件的能量或以熱的方式

損失。電壓的單位為伏特(Volts, V)，測量電壓的儀器稱為

伏特計(Voltmeter)。

12

2.2 電阻(Resistance)

2.2.1 電阻元件特性

電阻是阻礙電流流動的因子，電阻

愈大，電流流動阻礙愈大，電阻的單位

歐姆 (Ohm, Ω)，測量電阻大小的儀器為

歐姆計(Ohmmeter)。

電阻的電路符號如圖 2-2 所示：

一條導線的電阻大小，與導線長度、斷面積大小以及導線的電阻

率(Conductivity)有關，如圖 2-3 所示，以方程式表示為：

RA

.............................................................................(2-3)

式中 R：電阻，單位歐姆

：電阻率，歐姆‧米

：導線長度，單位米

A：導線斷面積，單位平方米

圖 2-3 電阻值、電阻率與材料斷面積及長度的關係說明圖

圖 2-2 電阻的電路符號

第二章 基本電路與元件

13

電阻率會隨溫度的改變，電阻率與溫度改變的關係為電阻溫度係

數，如表 2-1 所示，為各種材料的電阻率及溫度係數。

※ 表 2-1 各種材料之電阻率與電阻溫度係數

分類 材料名稱 電阻率(Ω·m) 電阻溫度係數(°C-1)

鋼 840 10 48 10

鉑 811 10 33.9 10

鋁 82.8 10 33.9 10

銅 81.7 10 33.9 10

銀 81.5 10 33.8 10

正

電

阻

溫

度

係

數 錳銅合金 844 10 75 10

雲母 152 10 350 10

玻璃 1210 至 1310 370 10

硬質橡膠 1310 ×

矽 2200 0.7

鍺 0.45 0.05

負

電

阻

溫

度

係

數 碳（石墨） 53.5 10 30.5 10

以電阻率的大小將材料區分為：

1. 導體：電阻率較低者，如銅、銀、鋁、鉑、鋼。

2. 絕緣體：電阻率高者，如雲母、玻璃、硬質橡膠。

3. 半導體：電阻率介於導體與絕緣體之間，如矽、鍺。

以電阻溫度係數的大小將電阻區分為：

1. 正電阻溫度係數：如錳銅合金。

2. 負電阻溫度係數：如碳、矽、鍺。

14

以電阻溫度係數為正的材料製造電阻器，其溫度與材料電阻的關

係為正向，可做為溫度感測器。

以電阻溫度係數為負的材料製造電阻器，其溫度與材料電阻的關

係為負向，亦可作為溫度感測器。

2.2.2 電阻元件與電阻電路

由高電阻係數的材料製造而成的零件稱為電阻器，簡稱為電阻，

而其值的大小由 Ω至 MΩ，所以 kΩ對電阻而言不算大。

電阻在電路中可以調整電路的電壓及電流，因為都是以阻礙電流

流動達此目的，故經常會產生熱量，又電路中電阻值愈大，經常代表

反應度愈慢，但電阻大的電路經常比較穩定，比較不受雜訊干擾；電

阻經常作為產生熱能的電氣設備零件。比較特殊的電阻是作為感測元

件的“電阻＂，稱這些元件為電阻是因為這些元件的電阻值隨一些外

界的環境作用而改變，如光電阻、熱敏電阻、應變規⋯⋯等。

本節討論電阻元件及基本電阻電路，它是分析、設計電路的第一

個步驟。

一、電阻元件

電阻元件因材料與製造技術的不同，有各種不同需求的電阻元

件，其分類如表 2-2 所示。

第二章 基本電路與元件

15

※ 表 2-2 電阻之分類

碳膜電阻一般誤差比較大；金屬膜電阻一般稱為精密電阻；繞線

電阻之電阻值比較小，但其體積較大；水泥電阻的電阻值比較小，外

以水泥（石膏）固定，以便散熱。

晶片電阻是體積小，電阻值可以低到 mΩ，是誤差小的電阻，如

ROHM 公 司 生 產 的 晶 片 電 阻 型 號 PMR006 ， 其 體 積 為

(0.6 0.3 0.23) mm，其電阻值為 10mΩ，一般晶片電阻有其特殊用

途，如低熱量消耗電路必須使用電阻值低的晶片電阻，電流檢測電路

或儀器經常使用晶片電阻。

將 4 個、8 個或更多個電阻製造成一體，即為排列電阻，一般有

一共同的端點，如 220 4 的排列電阻是有 5 個端點；而 220 8 有

9 個端點，有些排列電阻是以晶片電阻製造技術作成的，如 ROHM 公

司的產品 MWR04 即是。

16

固定電阻的電阻值大小以色碼表示之，一般電阻以四色環表示，

精密電阻以五色環表示之。可是晶片電阻就以編號表示，如 105 代表

1M ( 5%) 等。

可變電阻除了電路中可以調整電阻值以外，有些可變電阻作為位

移量測之用，如線性電位計量長度；旋轉電位計量角度。

至於特殊用途電阻，一般作為感測器之用，將在第七章作介紹。

圖 2-4 為幾種電阻器的實務照相圖。

圖 2-4 各種電阻的實物照相圖及其相關符號

第二章 基本電路與元件

17

二、電阻電路

電阻電路是電子電路最基本的電路，不論何種功能的電路，電阻

電路經常是其中必要的一部分。

1. 電阻串聯、並聯電路

(1) 如圖 2-5 所示為電阻串聯，

圖 2-5 電阻串聯

圖 2-5 之總電阻 abR 為

ab 1 2 3 nR R R R R ................................................ (2-4)

(2) 如圖 2-6 所示為電阻並聯

圖 2-6 電阻並聯

圖 2-6 之總電阻 cdR 為

cd 1 2 3 n

1 1 1 1 1

R R R R R ............................................. (2-5)

18

2. 歐姆定律(Ohm’s Law)

1827 年德國科學家歐姆提出電路中電壓、電流及阻抗三者之間

的關係，以式子表示為

V IZ ..............................................................................(2-6)

V：電壓，單位伏特(V)

I：電流，單位安培(A)

Z：阻抗，單位歐姆(Ω)

其中阻抗以電阻器而言即是電阻值，以電容而言即是電容阻抗，

以電感而言，即是電感阻抗。

3. 克希荷夫法則(Kirchoff’s Current Law)

1845 年克希荷夫提出克希荷

夫兩個電路定律，一為電流定律，

另一為電壓定律。克希荷夫電流定

律說：流入電路中任一個節點的電

流總和等於流出該節點電流的總

和，此定律符合電荷守恆定理，如

圖 2-7 所示，節點 a 有多個分支，

各分支的元件電流有離開 a 點或進

入 a點，則

1 3 4 2 nin out

(i i i ) (i i ) ....................................(2-7)

克希荷夫另一個定律為電壓定律，此定律符合電勢守恆原則，克

希荷夫電壓定律為：在電路的任何一個迴圈中，所有的電壓升之和等

於電壓降之和，如圖 2-8 所示。

圖 2-7 克希荷夫電流定律示意圖

第二章 基本電路與元件

19

圖 2-8 克希荷夫電壓定律示意圖

如圖 2-8 所示，該電路有三個迴圈，分別是迴圈 1、迴圈 2 及迴

圈 3，按照克希荷夫電壓定律，迴圈 1 走過的元件有 inV 、 1R 及 2R ，

所產生的電壓為 inV ( ) 、 R1V ( ) 及 R3V ( ) ，按克希荷夫電壓定律，其三

者的關係為

in R1 R 2V V V ................................................................... (2-8)

以此類推，迴圈 2 為

R 2 R3V V .......................................................................... (2-9)

迴圈 3 為

in R1 R3V V V ................................................................. (2-10)

20

例 2-1 分壓電路

如圖 2-9 之電路稱為分壓電路，是執行電路調整電壓最

簡便的方式，試求 Vout與 inV 、 iR 及 R 之關係式。

圖 2-9 分壓電路圖

解：

由克希荷夫電壓定律知

in Ri RV V V ................................................................. (2-11)

由歐姆定理知

Ri iV I R ...................................................................... (2-12)

RV I R ...................................................................... (2-13)

(2-12)及(2-13)代入(2-11)，得

in iV I(R R ) ................................................................ (2-14)

故 in

i

VI

R R

.................................................................. (2-15)