崑 山 科 技 大 學

電 子 工 程 系

學 生 專 題 製 作 報 告

跑步機直流馬達驅動板之檢測以

CompactRIO 為設計平台

A platform design with compactRIO for dc

motor driver board testing of treadmill

指導教授： 林俊宏博士

專題組員： 李明杰 學號：4970K013

林煥宸 學號：4970K078

中華民國 101 年 06月

100

學士專題

製作報告

以跑步機直流馬達驅動板之檢測以

Com

pactR

IO

為設計平台

電子工程系

崑山科技大

學

李明杰撰

林煥宸撰

崑 山 科 技 大 學

電 子 工 程 系

學 生 專 題 製 作 報 告

跑步機直流馬達驅動板之檢測以

CompactRIO 為設計平台

A platform design with compactRIO for dc

motor driver board testing of treadmill

指導教授： 林俊宏博士

專題組員： 李明杰 學號：4970K013

林煥宸 學號：4970K078

中華民國 101 年 06月

I

跑步機直流馬達驅動板之檢測以

CompactRIO 為設計平台

李明杰、林煥宸

崑山科技大學電子工程系

摘要

近年來由於國民健康意識逐漸提高，人們慢慢地養成了運動的習慣，眾多的運動項目中又以跑步為多數人喜好的運動，不管是在社區

周遭或是鄰近學校的操場慢跑都是最為方便的，但是如果遇到了下雨

天就成了澆熄運動熱情的主要問題，因此漸漸的有業者成立了健身中

心或相關俱樂部讓想運動的人們不會因為下雨天就沒地方可以運動。 健身中心或相關俱樂部有著眾多的運動器材供會員使用，在眾多

的運動器材當中，跑步機為大多數人們所喜愛，因此跑步機的需求量

便比其他種類的運動器材大上許多，正因為跑步機的市場大，廠商在

出貨前往往只是簡單的抽樣測試，只要能正常的讓跑步機運作便出貨，

如果跑步機使用久了馬達驅動不穩定的話就有可能將正在使用跑步機

運動的使用者甩出跑步帶受傷，業者還要耗費時間將跑步機送回廠商

檢測馬達驅動部分的穩定性以確保使用者的安全。

本專題針對一般需要利用人工方法測試直流馬達在跑步機上是否

能正常的將跑步帶維持在正常狀況下不會讓使用者被甩出跑步機，使

用三用電表逐一的測試馬達驅動板上的電流是否正常不會因為電流不

穩定而發生問題等等…整個測試流程下來就會耗費了測試人員許多力

氣以及時間，為了改善耗時的檢測方法我們提出自動化的檢測方法及

測試數據的存取，只要工程師將要測試的部分手動設定好就能開始直

流馬達的測試以及紀錄數據，只要等待測試完畢將數據呼叫出來加以

分析就能建構出一套完整的測試平台，這樣的創新與設計對於跑步機

在測試方面將會擁有更大的效益。

關鍵字:跑步機、直流馬達、數據存取

II

目錄

頁數

中文摘要 ------------------------------------------------------------------ Ⅰ

目錄 ------------------------------------------------------------------ Ⅱ

表目錄 ------------------------------------------------------------------ Ⅲ

圖目錄 ------------------------------------------------------------------ Ⅳ

一、 緒論------------------------------------------------------------ 01

1.1 原由------------------------------------------------------------ 01

1.2 目的------------------------------------------------------------ 02

二、 元件原理介紹------------------------------------------------ 03

2.1 CompactRIO介紹------------------------------------------- 03

2.2 AD977 類比數位轉換ＩＣ介紹------------------------- 07

2.3 ACS712-30A電流轉換 IC介紹--------------------------- 11

2.4 MAX6675溫度感測 IC介紹------------------------------ 12

2.5 PC817光耦合器介紹--------------------------------------- 15

2.6 ICL7660電源轉換 IC介紹-------------------------------- 16

2.7 繼電器介紹--------------------------------------------------- 19

三、 系統架構------------------------------------------------------ 23

3.1 系統架構------------------------------------------------------ 23

3.2 硬體設計------------------------------------------------------ 24

3.3 軟體設計------------------------------------------------------ 27

四、 結果------------------------------------------------------------ 28

4.1 ADC取樣率實驗及輸入範圍實驗----------------------- 28

4.2 電流擷取準確度實驗--------------------------------------- 31

4.3 轉速擷取準確度實驗--------------------------------------- 32

4.4 硬體成果------------------------------------------------------ 35

4.5 軟體成果------------------------------------------------------ 37

4.6 測試結果------------------------------------------------------ 41

五、 討論與結論--------------------------------------------------- 44

參考文獻 ------------------------------------------------------------------ 46

附錄 ------------------------------------------------------------------ 47

III

表目錄 頁數

表 2.1 CompactRIO接腳功能------------------------------------- 06

表 2.2 雙極性輸入周邊電路配置表------------------------------ 09

表 2.3 單極性輸入周邊電路配置表------------------------------ 10

表 2.4 MAX6675每個位元代表意義---------------------------- 12

表 2.5 熱電偶分類--------------------------------------------------- 14

表 2.6 熱電偶的最高使用溫度------------------------------------ 15

表 4.1 測試參數設定------------------------------------------------ 41

表 4.2 測試參數設定------------------------------------------------ 42

表 4.3 測試參數設定------------------------------------------------ 43

IV

圖目錄 頁數

圖 2.1 Real Time控制器-------------------------------------------- 03

圖 2.2 可重設嵌入式機箱------------------------------------------ 03

圖 2.3 FPGA晶片的內部構造------------------------------------ 05

圖 2.4 AD977功能結構圖----------------------------------------- 08

圖 2.5 AD977 SPI傳輸時序圖------------------------------------ 08

圖 2.6 ACS712基本應用電路圖---------------------------------- 11

圖 2.7 ACS712輸出電壓與感應電流對應圖------------------- 11

圖 2.8 MAX6675基本應用電路圖------------------------------- 12

圖 2.9 MAX6675傳輸時序圖------------------------------------- 12

圖 2.10 熱電偶基本應用--------------------------------------------- 13

圖 2.11 光耦合器示意圖--------------------------------------------- 16

圖 2.12 ICL7660基本應用電路------------------------------------ 17

圖 2.13 電壓幫浦 IC內部電路-------------------------------------- 18

圖 2.14 簡易電壓幫浦電路------------------------------------------ 18

圖 2.15 控制時脈為低態時等效電路------------------------------ 19

圖 2.16 控制時脈為高態時等效電路------------------------------ 19

圖 2.17 機電複合式繼電器原理圖--------------------------------- 20

圖 2.18 機電複合式繼電器內部構造(線圈未通電)------------- 20

圖 2.19 機電複合式繼電器內部構造(線圈通電)---------------- 21

圖 2.20 固態繼電器原理圖------------------------------------------ 22

圖 3.1 系統架構圖--------------------------------------------------- 24

圖 3.2 轉速量測硬體方塊圖--------------------------------------- 25

圖 3.3 電流量測硬體方塊圖--------------------------------------- 25

圖 3.4 溫度量測硬體方塊圖--------------------------------------- 25

圖 3.5 PWM輸出硬體方塊圖------------------------------------- 26

圖 3.6 電磁式負載控制硬體方塊圖------------------------------ 26

圖 3.7 軟體架構圖--------------------------------------------------- 27

圖 4.1 ADC轉換時間----------------------------------------------- 29

圖 4.2 1kHz正弦波-------------------------------------------------- 29

圖 4.3 10kHz正弦波------------------------------------------------ 29

圖 4.4 30kHz正弦波------------------------------------------------ 30

圖 4.5 50kHz正弦波------------------------------------------------ 30

圖 4.6 輸入電壓與擷取電壓曲線圖------------------------------ 30

圖 4.7 輸入電流與擷取電流曲線圖------------------------------ 31

V

圖 4.8 轉速輸入波形示意圖--------------------------------------- 32

圖 4.9 工作週期 1%輸入頻率與擷取頻率曲線圖------------- 33

圖 4.10 工作週期 10%輸入頻率與擷取頻率曲線圖------------ 33

圖 4.11 工作週期 25%輸入頻率與擷取頻率曲線圖------------ 34

圖 4.12 工作週期 50%輸入頻率與擷取頻率曲線圖------------ 34

圖 4.13 感測模組電路成品與模組外觀--------------------------- 35

圖 4.14 控制模組電路成品與模組外觀--------------------------- 35

圖 4.15 整體系統------------------------------------------------------ 36

圖 4.16 系統區塊接線圖--------------------------------------------- 36

圖 4.17 設定測試參數畫面------------------------------------------ 37

圖 4.18 開始測試畫面------------------------------------------------ 38

圖 4.19 調閱歷史數據畫面------------------------------------------ 39

圖 4.20 資料庫儲存格式畫面--------------------------------------- 40

圖 4.21 無電磁負載測試數據--------------------------------------- 41

圖 4.22 電磁負載 9伏特測試數據--------------------------------- 42

圖 4.23 電磁負載 12伏特測試數據------------------------------- 43

圖 A 控制模組_電路圖------------------------------------------- 47

圖 B 控制模組_Layout圖---------------------------------------- 47

圖 C 感測模組_電路圖------------------------------------------- 48

圖 D 感測模組_Layout圖---------------------------------------- 48

圖 E 電磁鐵控制電路圖------------------------------------------ 49

圖 F 電磁鐵控制電路_Layout圖------------------------------- 49

1

一、 緒論

1.1 原由

近十年來，在亞洲地區國人的生活水準普遍的高於鄰近的其他國

家，人們在物質生活不餘匱乏的同時，也開始重視自我身體的健康管

理，使許多企業紛紛投入於健身房、健身中心或是相關的俱樂部，這

使得相關的運動器材需求量大大的增加，而在這些運動器材當中，又

以跑步機的需求量增加的最多，因為跑步機只需要有小小的空間就可

以讓人們跑得汗如雨下，達到運動的效果，也是大眾最喜愛的運動器

材，但是在需求量增加的同時，關於跑步機上的直流驅動馬達的安全

性卻是備受質疑的，儘管在電氣安全方面有受到國家標準檢驗局的規

範，但這也只限於製造跑步機的廠商出貨前的測試，一旦跑步機從廠

商手中交貨至使用者之後，除非使用者在使用上發生問題，不然大多

是沒有後續的檢測方法的。[1,2]

2

1.2 目的

我們的專題是以跑步機用直流馬達驅動板檢測平台作為核心出發

點，因為跑步機在運轉的過程中，運動的人在上面跑動等同是在阻止

馬達的轉動，這使得馬達需要更大的轉動力量去帶動跑步帶，而在這

過程中馬達驅動板控制馬達的穩定性就顯得相當重要了，有實例證明

跑步機在使用中不正常的加速、減速，使得使用者在未踏穩腳步的同

時被甩出跑步機的跑步帶，這樣容易讓使用跑步機的人受到嚴重的傷

害，因此我們才設計一個平台可以讓我們自行決定要輸入的

PWM(Pulse Width Modulation,脈衝寬度調變)寬度及負載的大小，藉由

負載大小及 PWM 寬度不同的組合去檢測直流馬達驅動板在不同情形

下的溫度、輸出電流及馬達轉速的情況，並藉由這些檢測數據相互對

應建構出一套完整的驅動平台檢測標準。

3

二、 元件原理介紹

2.1 CompactRIO介紹

CompactRIO 是一種可程式自動化控制平台 (Programmable

Automation Controller, PAC)，主要分為兩個部份，一個部分為 Real Time

控制器(圖 2.1)，在控制器內有安裝了即時作業系統(Real Time Operating

System)，另一部分為為可重設嵌入式機箱(圖 2.2)，在機箱內包含可重

設 I/O(RIO)FPGA (Field Programmable Gate Array)核心。[3]

圖 2.1、Real Time 控制器

圖 2.2、可重設嵌入式機箱

4

2.1.1即時作業系統

即時作業系統是針對兩種主要類型的應用所研發的：事件回應

(Event Response)與閉迴路控制系統。事件回應應用，需要一定時間內

針對激發所產生的回應；此系統的範例即為汽車中的安全氣囊系統。

閉迴路控制系統可持續處理反饋(Feedback)，以調整輸出；如汽車的定

速控制系統。[4]

Microsoft Windows 與 Mac OS 都是極佳的作業系統平台，但是它

們適用於一般用途，例如同時執行多個應用程式，或回應來自鍵盤滑

鼠的中斷等等。但想要確保高優先序的工作可以確實地優先執行，必

須要針對處理器處理各項工作的情況做一些限制。因此，即時作業系

統可以讓使用者用更為便利的方式自定工作的優先順序，來保證重要

工作的回應時間。

2.1.2 FPGA

現場可程式化閘陣列 (Field Programmable Gate Array，FPGA) 具

有極高的穩定性、平行處理作業，與高速的迴圈控制效能。在 FPGA

中內含一組矩陣，該矩陣是由可重設的閘陣列邏輯電路所構成。與微

處理器不同的是，FPGA是透過硬體處理邏輯，不具備作業系統，也因

為FPGA完全平行的特性，因此不同的處理工作並不會競用相同資源。

5

所以當新增額外處理工作時，亦不會影響原來應用的效能。此外，多

個控制迴圈可於單一 FPGA裝置上達到不同的執行速率。

FPGA是將單一積體電路(IC)晶片上整合數百萬個邏輯閘，取代數

千個離散式元件，晶片的內部資源，即包含可設定邏輯區塊(CLB)所形

成的矩陣，且由 I/O 區塊所圍繞(如圖 2.3)。

目前 FPGA大多是使用硬體描述語言（Verilog 或 VHDL）設計，

經過編譯器的繞線及佈局後，燒錄至 FPGA 晶片上進行測試，是現代

IC 設計驗證的技術主流。這些可編輯的 FPGA 晶片經常被用來實現一

些基本的邏輯閘電路(如 AND、OR、NOT)或者更複雜一些的組合功能

(如編解碼器或數學方程式)； VHDL及 Verilog等硬體描述語言在撰寫

上相當的不容易，而藉由 LabVIEW FPGA Module，我們仍然可以在熟

悉的圖形化界面 LabVIEW底下撰寫程式，並且透過編譯器自行轉換為

VHDL 程式碼後，再轉換為 bitstream檔案，下載至 FPGA晶片中。[5-7]

圖 2.3、FPGA晶片的內部構造

6

2.1.3 CompactRIO基本腳位介紹

由於我們所使用的是自製的模組，因此我們需要自行去定義

CompactRIO 機箱所使用的腳位，由(表 2.1)可以知道每個插槽都是由

15PIN的 D-SUB所組成，在操作模式下分為三種 Template，而在 User

Template中我們所能使用的腳位為 9PIN都是數位 I/O。

表 2.1、CompactRIO接腳功能

7

2.2 AD977 類比數位轉換ＩＣ介紹

溫度、濕度、光、位移等等…這些在自然界中常見的物理量如果

想要在微電腦中進行處理，那就需要經由感測器將其物理量轉換成為

電的訊號(電壓或電流)，但感測器所輸出的信號通常很微小，需要再經

過放大、補償等動作才能夠準確的反應出一個物理變化量，經過放大

之後的類比訊號需要再輸入類比 /數位轉換器 (Analog to Digital

Converter)中，轉換成為數位訊號後，才能夠在微電腦中進行處理，達

到監控、測量、紀錄的目的。[8]

ADC技術主要有四種：計數式(the Counting ADC)、連續漸近式(the

Successive-Approximation ADC)、並聯比較式(the Parallel-Comparator

ADC)、以及雙斜率式(the Dual-Slope ADC；又稱比例式：the ratiometer

ADC)。這些 ADC技術各有其優缺點，要視應用場合與條件來選用。

AD977是由ADI(Analog Devices)公司所推出的一款 16位元的A/D

轉換 IC，屬於連續漸近式 ADC，取樣率最大可到 100kSPS，工作時只

需單個 5V的電源供電即可，電壓輸入範圍可經由外部電路去設定單極

性輸入或雙極性輸入及電壓範圍如(表 2.2、表 2.3)，所轉換出來的數位

資料則是使用 SPI(Serial Peripheral Interface)介面進行傳輸如時序圖(圖

2.5)所示。

8

圖 2.4、AD977功能結構圖

圖 2.5、AD977 SPI傳輸時序圖

9

表 2.2、雙極性輸入周邊電路配置表

10

表 2.3、單極性輸入周邊電路配置表

11

2.3 ACS712-30A電流轉換 IC介紹

ACS712 為 Allegro 公司所生產的霍爾效應電流感測元件，具有

2.1kVrms 的絕緣耐壓能力，及 30Amp 的耐電流能力。在未輸入電流時

其電壓輸出值為 Vcc/2，電流感測解析度為每 1Amp 可以產生 66mV的

輸出電壓變化，在應用上相當容易，不需要複雜的周邊電路即可使用

(圖 2.6)，且輸出電壓為線性增加(圖 2.7)。[9]

圖 2.6、ACS712基本應用電路圖

圖 2.7、ACS712輸出電壓與感應電流對應圖

12

2.4 MAX6675溫度感測 IC介紹

MAX6675是由MAXIN公司所推出的具有冷接點補償K型熱電偶

轉換 IC，這個 IC可以將熱電偶所感應出的電壓轉換為 16個 bit的數位

資料經由SPI介面將數據傳出(圖2.9)，其中12個bit為溫度資料(表2.4)，

可量測範圍為 0~1024℃，轉換精度為 0.25℃。

圖 2.8、MAX6675基本應用電路圖

圖 2.9、MAX6675傳輸時序圖

表 2.4、MAX6675每個位元代表意義

13

2.4.1 熱電偶介紹

熱電偶是工業上常用的溫度檢測元件之一，熱電偶測溫的基本原

理是將兩種不同性質的金屬導線端點連接起來，形成一個封閉的迴路，

若在測溫接點 Th與基準接點 Tc間存在有溫度差時，在兩接點之間便會

感應出一微小的熱電電動勢，這種現象稱為席貝克效應(Seebeck effect)，

而在迴路中的兩個接點稱為熱電偶，溫度較高的那一端稱為熱接點(hot

junction)，通常放置於測溫處；溫度較低那端則稱為冷接點(cold junction)

熱電偶輸出訊號為一直流電壓(如圖 2.10)。[10、11、12]

圖 2.10、熱電偶基本應用

熱電偶的特性：

(1) 可測量之溫度範圍廣泛，且大多已規格化。(表 2.5)

(2) 熱電偶的最高使用溫度與金屬線徑大小、材料有關。(表 2.6)

(3) 不必外加其他電源來驅動熱電偶。

(4) 可經由電路的設計獲得極佳的精確度。

14

表 2.5、熱電偶分類格子內文盡量置中整齊

熱電偶記號 測量溫度

範圍(℃) 優點 缺點

材料

+ -

高

溫

用

K -200~1200

1.廣泛應用於

工業

2.抗酸性佳、

具線性性質

1.不適用於

CO及亞硫

酸瓦斯中

2.在高溫還

原性空氣中

會劣化

鉻

鎳

鋁、

錳、

矽等

鎳合

金

中

溫

用

E -200~800 1.具有最大之

熱電動勢

1.不可耐於

還原性空氣

中使用

2.電氣電阻

大

鉻

鎳

鎳

銅

J -200~350 1.可耐於還原

性空氣中使用 1.容易生鏽 鐵

鎳

銅

低

溫

用

T -200~350

1.在弱酸性、

還原性空氣中

很安定

1.300℃以

上銅會氧化 銅

鎳

銅

超

高

溫

用

B 500~1700 1.能耐於酸性

空氣中

1.不可耐於

還原性空氣

中

銠

白

金

銠

白

金

R 0~1600

銠

白

金

白

金

S 0~1600

銠

白

金

白

金

15

表 2.6、熱電偶的最高使用溫度

熱電偶種類 線徑(mm) 常用溫度(℃) 最高溫度(℃)

K

0.65 650 850

1.00 750 950

1.60 850 1050

2.30 900 1100

3.20 1000 1200

E

0.65 450 500

1.00 500 550

1.60 550 650

2.30 600 750

3.20 700 800

J

0.65 400 500

1.00 450 550

1.60 500 650

2.30 550 750

3.20 600 750

T

0.32 200 250

0.65 200 250

1.00 250 300

1.6 300 350

B 0.50 1500 1700

RS 0.50 1400 1600

2.5 PC817光耦合器介紹

光耦合器也叫光隔離器，是一種發光元件與光檢知元件的組合，

將兩種元件密封在一不透光的外殼中(圖 2.11)，其輸入端與輸出端之間

呈電氣絕緣狀態無實體電路連結，是利用光來傳送訊號，將輸入信號

加至發光二極體 LED，LED將電的信號變成光的信號，當信號光線照

16

射到光電晶體時，由於光電晶體對光的反應，又將光信號還原成電的

信號而輸出。[13]

圖 2.11、光耦合器示意圖

光耦合器特性：

(1) 完全電性隔離，在信號轉換過程中可避免雜訊干擾。

(2) 反應速率快，頻率響應好。

(3) 沒有機械式的接觸點，不會產生火花。

2.6 ICL7660電源轉換 IC介紹

ICL7660 是由 Maxim 公司所生產的小功率直流電源轉換 IC，

ICL7660 是搭配上兩個外部電容所構成的電荷幫浦(Charge pump)去進

行電源轉換的工作的(圖 2.12)，在空載時轉換效率達 99%，負載時效率

則為 95%。主要應用在需要從單一 5V電源產生-5V電源的設備中。

17

圖 2.12、ICL7660基本應用電路

2.6.1 電壓幫浦介紹

電壓幫浦 (Charge pump)電路通常又稱為切換式電容轉換器

(Switched capacitor converter)是包含二極體或切換開關與電容的切換網

路(如圖 2.13電壓幫浦 IC內部電路)，IC內部具有兩個可控式開關與震

盪器，其外部接兩個電容。此電路亦可由離散元件組成(圖 2.14)，只需

要一個震盪器、一個 NOT閘、兩個二極體及兩個電容即可組成簡單的

電荷幫浦電路。[14]

工作原理：

(1) 若控制時脈為低態時，其 NOT 閘輸出為高態其等效電路(如圖

2.15所示)，此時 D1順向偏壓，D2逆向偏壓，C1跨壓 Vc1最高可

充電至 Vc1=(Vcc-Vd)的電壓量，式中的 Vd為二極體的順向偏壓，

此時的電流方向如圖上的 I所示。

18

(2) 當控制時脈為高態時，其 NOT 閘輸出為低態，此時 C1 跨壓

Vc1 的正端相當於接地，如等效電路(圖 2.16)，此時 D1 為逆向偏

壓，而 D2 為順向偏壓，承接剛才的 C1 跨壓，C2 最高可充電至

-(Vcc-2Vd)的電壓，而其電壓相對於接地是負的。

圖 2.13、電壓幫浦 IC內部電路

圖 2.14、簡易電壓幫浦電路

19

圖 2.15、控制時脈為低態時等效電路

圖 2.16、控制時脈為高態時等效電路

2.7 繼電器介紹

繼電器(Relay)為一種電子控制元件，具有控制系統(輸入迴路)即被

控制系統(輸出迴路)，通常應用在自動控制電路中，實際上是使用一個

較小的電流去控制大電流的一種自動開關。常見到的繼電器有：機電

複合式繼電器、磁簧繼電器、固態繼電器、場效電晶體開關。在本文

中僅針對機電複合式繼電器及固態繼電器進行介紹。[15]

20

2.7.1 機電複合繼電器

機電複合繼電器是當今自動測試設備中常使用的繼電器種類。這

種繼電器是由線圈、電樞及觸點所構成。當電流流經線圈時，感應生

成的磁場會帶動電樞去開啟或關閉觸點(圖 2.16)。繼電器中的驅動電路

在電性是與繼電器觸點絕緣的，而觸點本身又與其他觸點絕緣，因此

機電複合式繼電器相當適合於強調絕緣的應用，觸點的切換時間大約

是 5~15毫秒，且觸點一般來說都比其他種類的繼電器大而耐用，較大

的觸點所能承受的電流也比較高，但這也意味著這種繼電器的體積通

常也比較大。[16、17]

圖 2.17、機電複合式繼電器原理圖

圖 2.18、機電複合式繼電器內部構造(線圈未通電)

21

圖 2.19、機電複合式繼電器內部構造(線圈通電)

2.7.2固態繼電器介紹

固態繼電器(Solid state relay，SSR)，是使用一個感光性金氧半場

效電晶體加上一個發光二極體去驅動裝置的(圖 2.19)，其切換時間取決

於發光二極體開關的時間，大約需要 1毫秒和 0.5毫秒。由於沒有機械

構造，因此使用壽命比機電複合式繼電器長。固態繼電器適合用在高

電壓的應用上，因為發光二極體的驅動方式將控制電路和金氧半場效

電晶體絕緣開來，但由於金氧半場效電晶體負責切換開關，其觸點間

無法絕緣。當電晶體每有驅動電壓時，汲極和源極間的通道呈現高阻

抗狀態，以此隔絕兩個觸點。由於其連結是透過一個電晶體，而不是

像機電複合式繼電器中是由實體金屬接觸，所以固態繼電器的接觸電

阻自然會比較高，在現今的製程中電阻超過 100 歐姆的繼電器相當普

遍。固態繼電器很容易受到電流突升的影響而將電晶體破壞，使繼電

22

器失去作用。

圖 2.20、固態繼電器原理圖

23

三、 系統架構

針對溫度、負載電流與馬達轉速的偵測開發這幾類模組，再搭配

上電腦端LabVIEW程式去設計出一套全自動的馬達驅動板檢測介面，

以 CompactRIO為軟硬體介面平台，由電腦端控制 PWM輸出設定馬達

轉速，電磁式負載模組以階段性增加磁力，模擬人在跑步機上加壓對

於馬達負擔的情形，主要監測控制器板溫度與負載電流相對的訊號，

經過網路介面回傳至電腦記錄數據，讓工程師可以藉由電腦圖表畫面

清楚知道產品在不同的運作速度下是否都正常工作，檢測流程自動化

快速的重覆測試。

3.1 系統架構

整個系統架構如圖 3.1所示，可以分為三大部分：

(1) 檢測平台：包含直流馬達、馬達控制板、電磁負載。

(2) 檢測擷取系統：以 CompactRIO 搭配上兩組自製的模組分別為

控制模組、感測模組。控制模組具有 PWM輸出及電磁式負載控制

的功能；感測模組具有感測馬達轉速、負載電流及控制板溫度的功

能。

(3) 遠端監控平台：以LabVIEW撰寫人機操作介面，將CompactRIO

所擷取到的資料透過 TCP/IP 的方式回傳至電腦端紀錄並繪製成圖

24

表。

圖 3.1、系統架構圖

3.2 硬體設計

在硬體電路部分，我們將模組分為兩個部分，分別為感測模組及

控制模組。

3.2.1 感測模組功能及硬體架構

(1) 馬達轉速 : 監控馬達運行轉速，將磁簧開關裝設於馬達上量測，

擷取馬達轉動的訊號轉換為脈波，在計算固定時間產生的脈波次數將

轉速電路讀回(如圖 3.2)，轉速數據再與其它數據對照。

(2) 負載電流 : 監測馬達所消耗的電流，將電流感測器 ACS712-30A

的 PIN2、PIN3串聯於待量測的電路上，ACS712將流過的電流轉換為

電壓輸出，經由電壓隨偶器緩衝後輸入 AD977將其類比訊號轉換為數

位訊號輸入至 CompactRIO 計算出電流值(如圖 3.3)，瞭解驅動板電流

25

供應狀況是否正常。

(3) 控制板溫度 : 監控馬達驅動控制板的溫度，藉由著熱電偶溫度感

測器量測由轉換 IC MAX6675 將其溫度訊號轉換為數位訊號，回傳至

CompactRIO計算出溫度(如圖 3.4)，藉此檢測控制板內高功率元件是否

有過熱狀況。

圖 3.2、轉速量測硬體方塊圖

圖 3.3、電流量測硬體方塊圖

圖 3.4、溫度量測硬體方塊圖

3.2.2 控制模組功能及硬體架構

26

(1) PWM 輸出 : 藉由 CompactRIO 輸出 PWM 波形，工作週期為

5%~50%，經由光耦合器將訊號隔離，減少馬達運轉後所產生的雜訊影

響，再將訊號輸入至馬達控制板(如圖 3.5)，使得馬達控制板獲得控制

訊號，藉此控制馬達轉動速度。

(2) 電磁式負載控制 :藉由 CompactRIO 選擇所需輸出的電壓，經由電

磁控制電路輸出電壓，驅動控制電磁鐵磁性強弱(如圖 3.6)，模擬檢測

平台上的馬達有運動者在跑動的情況，瞭解馬達控制器在不同負載強

度下的運作狀態。

圖 3.5、PWM輸出硬體方塊圖

圖 3.6、電磁式負載控制硬體方塊圖

27

3.3 軟體設計

在軟體部分，主要分為兩個部分，分別為測試介面及歷史數據，

在程式開始後，會先進入參數設定的畫面中，我們可以在這個步驟設

定所需要的測試參數，如果進入測試則會使用我們所設定好的參數進

行測試，並將所擷取到的資訊繪製成圖，測試完畢後則會將數據存入

資料庫中；在歷史數據調閱的部分則可以將過去所進行過的測試結果

調出，並將其重新繪製成圖表，方便我們做對照。

圖 3.7、軟體架構圖

28

四、 結果

為了驗證各個功能的穩定性及準確度我們分別對ADC取樣率及輸

入範圍、電流擷取準確度及轉速擷取準確度進行驗證：

4.1 ADC取樣率實驗及輸入範圍實驗

在一個數位系統中，ADC的取樣率及輸入範圍是相當重要的，取

樣率過高會造成資料量太多，讓系統負荷變大；取樣率太低又無法正

確地將訊號還原。我們所使用的 A/D 轉換 IC 經由我們的實驗結果(如

圖 4.1)知道，兩筆資料的間隔時間最快為 400 個機械週期。因為

CompactRIO的機械週期為 0. 25us，因此 400*0.25us = 10us = 100kHz，

所以我們就知道取樣率最快可以達到 100kSPS。

在知道取樣率之後我們輸入一個振幅為 3.5V正弦波，並改變頻率

由 1kHz 到 50kHz，觀察其波形在電腦端還原的情形，可以發現到在

5kHz 以下，波形都可以完整地還原；在 5kHz 到 10kHz 雖然有些失真

但還是可以辨識的出來；10kH 以上波形就會嚴重的失真。(如圖 4.2~

圖 4.5)

輸入範圍的部分，我們則是輸入 0~5.2V的電壓，然後在電腦端觀

察輸入電壓與轉換出來的數位資料是否準確，再與 NI DAQ6008 進行

比較，並將其繪製成曲線圖(如圖 4.6)，就可以發現當輸入電壓大於

29

3.75V就無法正確的讀取。

圖 4.1、ADC轉換時間

圖 4.2、1kHz正弦波

圖 4.3、10kHz正弦波

30

圖 4.4、30kHz正弦波

圖 4.5、50kHz正弦波

圖 4.6、輸入電壓與擷取電壓曲線圖

31

4.2 電流擷取準確度實驗

在這個實驗中，我們使用電源供應器輸出一個穩定的電流，範圍

由 0A~3.2A，輸入至電流量測的電路中，並於電腦端觀察所量測到的

電流數據是否正確，再將其輸入電流與電腦端所量測到的數據繪製成

曲線圖(如圖 4.7)，可以發現到在電流量測部分呈現很好的線性狀態。

圖 4.7、輸入電流與擷取電流曲線圖

32

4.3 轉速擷取準確度實驗

在測試轉速準確度的實驗中，我們使用訊號產生器輸入一個脈波

(如圖 4.8)模擬磁簧開關工作時的狀態，藉由改變工作週期從 0.1%~50%，

然後將工作週期固定改變頻率後輸入至轉速量測的電路中，觀察所量

測到的數據是否正確(如圖 4.9~4.12)，由這個實驗可以發現到當工作週

期越大，所能量測的頻率也就越大；也就是說當磁簧開關的導通時間

越長，所能量測到的轉速就越大。

圖 4.8、轉速輸入波形示意圖

33

圖 4.9、工作週期 1%輸入頻率與擷取頻率曲線圖

圖 4.10、工作週期 10%輸入頻率與擷取頻率曲線圖

34

圖 4.11、工作週期 25%輸入頻率與擷取頻率曲線圖

圖 4.12、工作週期 50%輸入頻率與擷取頻率曲線圖

35

4.4硬體成果

依照之前所敘述之硬體電路設計將其製作出成品，因為需要製成

CompactRIO 專用的模組，因此要將電路板大小限制在 73.38 mm ×

66.04 mm。

圖 4.13、感測模組電路成品與模組外觀

圖 4.14、控制模組電路成品與模組外觀

36

圖 4.15、整體系統

圖 4.16、系統區塊接線圖

37

4.5軟體成果

4.5.1設定參數畫面

圖 4.17、設定測試參數畫面

設定參數說明：

1. 電磁鐵下拉式清單：可選擇電磁鐵增加負載採三段切換。

2. PWM最大、最小值：設定 PWM測試範圍。

3. PWM每次增加：自動化量測每階段測試增加訊號。

4. 每階段測試時間：每階段運行測試要多久。

5. 測試次數：設定一個流程測試要重複的次數。

6. 測試機台編號：設定編號以區隔測試資料。

38

操作按鍵說明：

1. PWM固定為最小值：以定值方式去進行測試。

2. 開始測試：開始運行設定測試方式。

3. 調閱歷史數據：可以開啟過去所測試的驅動板檢測資料。

4. STOP：跳出關閉程式。

4.5.2測試畫面

圖 4.18、開始測試畫面

功能：

進入測試畫面後，開始輸出控制訊號，並量測馬達驅動板電流、轉

速與溫度曲線繪製顯示(PWM-轉速、PWM -電流、PWM-溫度)、將測

39

試結果儲存於資料庫中。

1. 目前 PWM 寬度：依設定測試參數頁面所設定的 PWM 最大、

最小值去調整目前輸出 PWM訊號，並按照每階段測試時間所設定

時間去進行 PWM訊號增量。

2. 電流：監測馬達所消耗的電流，藉由電流感測器去測量馬達現

階段所耗的電流量，瞭解驅動板供電狀況是否正常。

3. 轉速(sec)：監控馬達運行轉速，瞭解加壓對於馬達負擔的情形。

4. 溫度：監控馬達驅動控制板的溫度，清楚知道控制板大功率零件是否

有過熱狀況。

4.5.3調閱歷史數據畫面

圖 4.19、調閱歷史數據畫面

40

功能：

可從資料庫中調閱出歷史測試檔案，測試時間欄位列表出所有測

試過之數據(如圖 4.20)，命名規則為：測試機台編號_年月日_時間，提

供工程師查看是否有異常不穩定等現象之參考。

操作按鍵說明：

1. 讀取：依所選之歷史測試時間，調閱出當時測量電流、轉速與

溫度，重新繪製當時曲線圖。曲線圖中綠線為 PWM訊號，紅線為

所測量到數據。

2. 返回：離開調閱歷史數據頁面，回到設定測試參數頁面。

圖 4.20、資料庫儲存格式畫面

41

4.6測試結果

4.6.1測試數據ㄧ (無電磁負載)

表4.1、測試參數設定

測試參數 數值

測試機台編號 A0

電磁負載 無負載

PWM最小值 10

PWM最大值 30

每次增加 1

每階段測試時間 10

測試次數 2

測試結果

圖 4.21、無電磁負載測試數據

42

4.6.2測試數據二 (電磁負載 9伏特)

表 4.2、測試參數設定

測試參數 數值

測試機台編號 A0

電磁負載 9V

PWM最小值 10

PWM最大值 30

每次增加 1

每階段測試時間 10

測試次數 2

測試結果

圖 4.22、電磁負載 9伏特測試數據

43

4.6.3測試數據三 (電磁負載 12伏特)

表 4.3測試參數設定

測試參數 數值

測試機台編號 A0

電磁負載 12V

PWM最小值 10

PWM最大值 30

每次增加 1

每階段測試時間 10

測試次數 2

測試結果

圖 4.23、電磁負載 12伏特測試數據

44

五、 討論與結論

5.1 討論

在此系統中軟體架構各個功能雖然可以正確的運算與紀錄，但是

依然有以下幾點問題：

1. 轉速量測穩定性問題：雖然有使用光耦合器將其訊號隔離及軟體的

防彈跳的機制去濾除雜訊的影響，但是將電磁負載開啟後，馬達控制

板需要輸出更大的電流才能使馬達穩定運轉，這使的馬達運轉時的雜

訊增加，這樣讓部份雜訊經由共地的迴路去影響到轉速量測的穩定性。

因此未來需要想辦法將雜訊的問題先濾除以減少雜訊對系統整體的影

響。

2. 硬體接線複雜：雖然有將硬體線路盡量的精簡化，但是在實際接線

上還是有相當多的外部線路，造成整體的線路看起來相當的雜亂。

5.2 結論

在本研究中，我們已製作出 CompactRIO專用的模組，再以自製的

模組去形成一套跑步機用直流馬達檢測系統，透過控制模組去控制馬

達的運轉速度及是否開啟電磁負載，再由感測模組將馬達運轉時控制

板輸出的電流、控制板溫度及馬達轉速擷取，並將其在電腦端繪製成

圖表並將其資訊存入資料庫中，雖然在整體系統驗證上還有些許不足

45

之處，但本研究在馬達檢測上已經有了初步的成果，未來可以朝向檢

測更多種不同的資訊使系統更加的完整。

46

參考文獻

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47

附錄

圖 A、控制模組_電路圖

圖 B、控制模組_Layout圖

1

1

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2

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3

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D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 2012/1/31 Sheet of

File: C:\Users\..\Sheet1.SchDoc Drawn By:

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10

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15

17

16

J1

D Connector 15

330

R1

330

R2

10K

R3

10K

R4

U1

Optoisolator1

U2

Optoisolator1

IN GN

DO

UT

7805

1 2 3 4

P1

M_

GN

DM

_1

5V

M_

PW

MM

_R

EL

AY

M_

15

VM

_G

ND

M_

5V

M_5V

M_15V

M_GND

M_GND

M_RELAY

M_PWM

GND

GND

GND

GND

GND

RELAY

VCC

PWM

PWM

RELAY

MAGNET_9V

MAGNET_12V

MAGNET_15V

1

2

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5

6

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8

9

11

10

J?

D Connector 9

MAGNET_15V

MAGNET_12V

MAGNET_9V

GND

0.1uF

C1

VCC

GND

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圖 C、感測模組_電路圖

圖 D、感測模組_Layout圖

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C C

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A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 2012/1/31 Sheet ofFile: C:\Users\..\Sheet1.SchDoc Drawn By:

2.2uF

C1Cap Pol1

2.2uF

C2Cap

11

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15

1

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10

J1

Connector 15

R850K

200

R1

Res Semi 100R2Res Semi

30K

R3Res Semi

3.3K

R4Res Semi

GNDVin

VCC

GND

GND

GNDVCC

GND

VCC

GND

VCC

BUSY

R/C

DATADATACLK

DATACLK

R/C

DATABUSY

GND

GND

VCC

GND

12

Iin

MHDR1X21nFC3

0.1uF

C4

GND

GND

VCC

VIOUT

411

13

2

1

U3A

LM324AN

VIOUT

10uF

C5Cap Pol1

10uF

C6Cap Pol1

GND

VCC

GND

-5V

-5V

VCC

Vin

R1in1

AGND12

R2in3

R3in4

CAP5

REF6

AGND27

SB/BTC8

EXT/INT9

DGND10

SYNC11

DATACLK12

DATA13

TAG14

R/C15

CS16

BUSY17

PWRD18

VANA19

VDIG20

U1

AD977

IP+1

IP+2

IP-3

IP-4

GND5

FILTER6

VIOUT7

VCC8

U2

ACS712

NC1

CAP+2

GND3

CAP-4

VOUT5

LV6

OSC7

V+8

U4

ICL7660

GND

VCC

GND1

T-2

T+3

VCC4

SCK5

CS6

SO7

NC8

U5

max6675

12

temp

Header 2

SO

CS

SCK

SCK

CS

SO

12

rpm

Header 2

10K

R9

Res Semi

GND

VCC

RPM

RPM0.001uF

C7Cap

R/C12

34567

8910

R

Header 10

DATA

SCKCS

DATACLK

SO

GND

GND

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圖 E、電磁鐵控制電路圖

圖 F、電磁鐵控制電路_Layout圖

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1

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C C

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Title

Number RevisionSize

A4

Date: 2012/4/29 Sheet of

File: C:\Users\..\Sheet1.SchDoc Drawn By:

1

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4

5

K1

Relay

Q1

2N2222

1K

R1

Res1

D1

Dio

de 1

N4

00

1

+12V

GND

GND

1

2

3

4

5

K2

Relay

Q2

2N2222

1K

R2

Res1

D2

Dio

de 1

N4

00

1

+12V

GND

1

2

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5

K3

Relay

Q3

2N2222

1K

R3

Res1D

3D

iod

e 1N

40

01

+12V

GND

1

2

Vout

Header 2

+9V

GND

J1

Socket

J2

Socket

J3

Socket

+9V

+12V

GND

+15V

GND+12

+12

1 2 3 4 5 6

Vin12 Header 6

1 2 3 4 5 6

Vin15 Header 6

AC+

AC-

AC+

AC-

1

2

Vin9

Header 2H

GND

+15V

0

1

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3

1

2

216

5

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5

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