實實務務專專題題報報告告書書

電電動動車車馬馬達達驅驅動動實實作作

指 導 老 師：趙維和

專題製作學生：四技電三甲 何昱德 BD103020

四技電三甲 呂廷增 BD103021

中華民國 106 年 6 月 20 日

修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING HSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

修 平 科 技 大 學

電機工程系

HSIU-PING UNIVERSITY OF SCIENCE

AND TECHNOLOGY

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

指導老師：趙維和

專題製作學生：何昱德、呂梃增

製作日期：106 年 6 月 20日

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目錄 目錄..........................................................2

圖目錄........................................................4

一.緒論 ...................................................6

1.1摘要...................................................6

1.2 電動車演進史...........................................6

1.3研究目的...............................................7

1.4專題架構...............................................7

二.相關硬體配件........................................8

2.1 車體架構...............................................8

2.2 馬達...................................................9

2.3馬達數據...............................................10

2.4直流單象限驅動器.......................................11

2.5光隔離器...............................................12

2.6陶瓷電容器.............................................13

2.7可變電阻器.............................................14

2.8功率電晶體.............................................15

2.9稽纳二極體.............................................16

2

三.規劃與製作............................................17

3.1元件材料.................................................17

3.2使用電源供應器或電池.....................................18

3.3控制電路.................................................19

3.4驅動電路.................................................21

3.5 PWM脈波調變.............................................24

3.6截波波形圖...............................................25

四.功能、動作說明與實體展示.........................26

五.結論與心得............................................29

5.1結論......................................................29

5.2心得......................................................29

參考文獻...................................................30

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圖目錄

圖 1:系統架構圖.............................................7

圖 2:電動車外殼.............................................8

圖 3:電動車馬達.............................................8

圖 4:直流馬達...............................................9

圖 5:馬達額定電壓與額定電流................................10

圖 6:驅動器示意圖..........................................11

圖 7:4n25..................................................12

圖 8:陶瓷電容器............................................13

圖 9:可變電阻器............................................14

圖 10:2n3055...............................................15

圖 11:稽納二極體...........................................16

圖 12:材料表...............................................17 圖 13:電池.................................................18

圖 14:電源供應器...........................................18 圖 15:控制電路設計圖.......................................19 圖 16:電路設計圖...........................................21 圖 17:驅動電路設計圖(舊)...................................22

4

圖 18:驅動電路設計圖(新)...................................23

圖 19:三角調變波形圖.......................................24

圖 20:三角積分調變波形圖...................................25 圖 21:截波波形圖...........................................25

圖 22:馬達驅動電路實體測試圖...............................26 圖 23:控制電路實體測試圖...................................26

圖 24:專題成果實際圖.......................................27

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一.緒論

1.1 創作動機

本專題的目的是使用電這個環保資源用用在車子上，我們就假想出如果

運用在直流馬達上，使電動車能夠與我們的驅動器作結合讓車子能夠做

出變速控制，也能讓我們了解電動車的組裝與構造，進而讓我們的能力

提升。

1.2 電動車沿革

電動車作為綠色朝陽產業，在中國發展已有十年之久。在電動自行車方

面，2010年底，中國電動自行車已經達到 1。2億輛，而且以每年 30%的

速度增長。從能耗角度看，電動自行車只有摩托車的八分之一、小轎車的

十二分之一。從占有空間看，一輛電動自行車占有的空間只有一般私家車

的二十分之一，成為非常有效的節能交通工具。從發展趨勢上看，電動自

行車行業市場前景依然看好。特別是，作為一種節能環保、出行便捷、使

用成本相對較低的中短距離交通工具，電動自行車在二、三級城市和農

村地區頗受歡迎。隨著產業發展環境的改善、農村道路建設的加快、居民

收入水平的提高，市場空間會進一步擴大。

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1.3 研究目的

我們的專題是利用 4個 OP放大器(μA741)加上兩個可變電阻、馬達、

光合器(4n25)，利用接在 OP放大器的可變電阻的大小來做脈寬調變，

讓接馬達的電晶體導通、截止，進而達到條速的功能。

1.4 專題架構

以下是我們的系統架構圖，我們從電池或電源供應器來驅動電路，再

由我們來下達前進或後退來控制我們的控制電路，再由控制電路傳送

到驅動電路，然後使我們的馬達來運轉。

圖 1系統架構圖

7

二.相關硬體配件

2.1 車體架構

以下是我們找到不要的電動車來當作我們的軀體。

圖 2電動車外殼

圖 3電動車馬達

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2.2 馬達

這是我們從車體所拆解下來的馬達，因為年代久遠所以找不到他的型

號，所以我們從下方的數據來檢視這顆馬達。

圖 4直流馬達

直流馬達的優點:

(1) 高啟動轉矩

(2) 轉速範圍寬(高於或低於額定轉速皆可達成)

(3) 控制容易

(4) 便宜

若 Ia 和 Φ 固定，則 Vt 與 NM 成正比，稱為電樞電壓控制法(簡

稱為樞控法)，控速範圍在額定轉速以下

直流馬達的缺點

(1) 無法自行調變轉速

(2) 碳刷使用一段時間會磨損須更換,電樞會磨損。 9

Maaat NKIRV Φ+=

)(0 ratedMM NN ≤≤

2.3 馬達數據

以下就是我們所測得的馬達數據，而這顆馬達最高可到 6伏特。

由於馬達太過老舊，測試的時候忽快忽慢，經過一番的測試之後，

測出最大轉速約略 800rpm。

圖 5馬達額定電壓與額定電流

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2.4直流電動機單象限截波驅動器

直流馬達(DC Motor) 能將電力轉換為機械功率，包含定子磁鐵、轉

子線圈、換向器(commutator)與碳刷(carbon brush)。依磁場和電

樞連接方式可分為串激式、並激式、複激式、他激式等類。

圖 6驅動器示意圖

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2.5 光隔離器

光隔離器是一種非互易光學元件，它只容許光束沿一個方向通過，對反射

光有很強的阻擋作用。使用光電隔離器主要是為了提供輸入電路和輸出電

路間的隔離。

圖 7 4n25

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2.6 陶瓷電容器

陶瓷電容器是以陶瓷為介電質的電容器。其結構是由二層或更多層交替出

現的陶瓷層和金屬層所組成，金屬層連結到電容器的電極。陶瓷材料的成

份決定了電容器的電氣特性及其應用範圍，依穩定性可分為以下三類：

• Class 1 陶瓷電容器：有高穩定性和低損失，適用於諧振電路的應用。

• Class 2 陶瓷電容器：其容積效率高，但穩定性及準確度較差，

• 適用於緩衝、解耦及旁路電路。

• Class 3 陶瓷電容器：其容積效率更高，但其穩定性及準確度更差。

圖 8陶瓷電容器

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2.7 可變電阻器

可變電阻器（VR，Variable Resistor）或簡稱可變電阻，是一種具有三

個端子，其中有兩個固定接點與一個滑動接點，可經由滑動而改變滑動

端與兩個固定端間電阻值的電子零件，屬於被動元件，使用時可形成不

同的分壓比率，改變滑動點的電位，因而得名。

圖 9可變電阻器

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2.8 功率電晶體 2n3055

一般當我們提到功率電晶體時，係指 PC1W以上的產品。相較於小訊號電

晶體，功率電晶體的最大集極電流以及最大集極損耗較大，且因發熱量

較大，故會採用較大顆的封裝，並且會加上金屬散熱片或其他散熱對策。

圖 10 2n3055

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2.9 稽納二極體

一般二極體順向導通時電壓可維持在 0.7V，可提供穩定的電壓，但如果

我們需要更大的電壓時，則需串聯很多的二極體，使用上不是很方便。

因此，利用這個特性發明了這種特殊的二極體——稽納二極體，特別用

在逆向偏壓的崩潰範圍，能承受比一般二極體更高的電壓，而且稽納二

極體的逆向電壓操作是可逆的。常見的稽納電壓從 3伏特到 100伏特。

圖 11稽納二極體

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三.規劃與製作

3.1元件材料

圖 12材料表

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3.2電源供應器或電池

以下是我們用來供應馬達的電池或電源供應器(示意圖)。

圖 13電池

圖 14電源供應器

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3.3 控制電路

這是我們所設計的控制電路。

圖 15控制電路設計圖

三角波產生器

三角波產生器，由方波產生器和反相積分器組成。將方波產生器

輸出之方波送至積分器，積分器的輸出為三角波。

方波產生器

方波產生器由運算放大器(μA741)、電阻和稽納二極體組成，即為

史密特觸發電路。輸出端使用稽納二極體限制輸出之方波電壓，

約為±9.7V。

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積分器

反相積分器由運算放大器(μA741)、電阻、半可調電阻(SVR1)和電容

(C3)組成。輸入端為方波時，輸出為三角波，振幅約±1.0V，頻率由 SVR1

來調整，此值即為截波頻率

反相放大器

由運算放大器(μA741)和電阻組成。輸入為振幅較小(約±1.0V)之三角

波，須放大才能與直流電壓位準比較，此反相放大器之電壓增益由電阻

決定 ，其輸出為振幅較大(約±15V)之三角波。

比較器

比較器由運算放大器 U4(μA741)、電阻(R10)和稽納二極體(ZD3)組成。

輸入信號有兩個來源，分別來自直流電壓電路和三角波產生器。

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1510150

8

9 −=−=−==KK

RR

VVA

in

oV

3.4 驅動電路

圖 16電路設計圖

21

以下是我們一開始所設計馬達驅動的電路。

圖 17驅動電路設計圖(舊)

按照原本的電路圖接線接在麵包板上做馬達運轉測試，但發現可變電阻居

然短路了，讓我們一個頭兩個大。

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後來跟老師討論過一番之後，發現原本的電路Ｑ２的Ｃ極跟Ｂ極沒有負載

壓降，因而造成馬達不會運轉跟可變電阻短路的問題，因此重劃出以下的

電路圖讓馬達能夠正常的運轉。

圖 18驅動電路設計圖(新)

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3.5 PWM脈寬調變

脈波寬度調變（英語：Pulse Width Modulation，縮寫：PWM），簡稱脈

寬調變，是將類比訊號轉換為脈波的一種技術，一般轉換後脈波的週期固

定，但脈波的占空比會依 類比訊號的大小而改變。在類比電路中，類比訊

號的值可以連續進行變化，在時間和值的幅度上都幾乎沒有限制，基本上

可以取任何實數值，輸入與輸出也呈線性變化。

三角調變

以三角調變作為控制脈衝寬度調變的方法，輸出訊號將會被積分，同時結

果也會被拿來 與參考訊號增減一個偏移量(作為比較的邊界)比較。當每一

次的積分結果到達邊界時， 脈衝調變訊號便會轉變狀態。

圖 19三角調變波形圖

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三角積分調變

以三角積分調變作為控制脈衝寬度調變的方法，參考訊號與輸出訊號會相減得到誤差訊 號。

圖 20三角積分調變波形圖

3.6 截波波形圖

圖 21截波波形圖

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四.功能與實體展示

圖 22馬達驅動電路實體測試圖

圖 23 控制電路實體測試圖

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圖 24 專題成果實際圖

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動作說明

接上三台電源供應器

接上示波器

將電源供應器其中兩台調成 12V

將一台電源供應器調成 5.2V

轉動電路板的可變電阻使馬達轉動

觀察示波器的波形圖

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五.結論與心得

5.1 結論

依照我們的需求來控制車子的快慢，透過速度控制旋鈕來調整電壓頻均

值，進而使得馬達轉速改變。

5.2 心得

一開始我們跟老師說明如何解決製作專題成本的問題，因為假設重買

一台車體需要花費不少錢，因此經過一番討論後，老師的另一組的專題

學生說他家有舊的電動車，因此省下了材料費跟尋找馬達的時間，後來

老師決定從儀表電子乙級的第三題的電路圖來做修改，因此我們學到了

要做任何專題之前，要先把要做的元件做詳細的測量，不然給了超出馬

達負荷上限的電壓就會使該馬達燒毀，得不償失，後來經過麵包版測試

，發現第三題的電路會讓電阻短路不符合我們的要求，經過電路重劃之

後，終於讓馬達順利運轉。從中學到做任何事都要經過大腦思考，不然

後果不堪設想。

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參考資料

http://www.tedmotors.com/_tw/pro/list.php?cid=81&f=81

東元精電 105.10.14

http://www.ev.org.tw/Products/DetailProductShow/694

電動車 105.10.15

http://www.orientalmotor.com.tw/

台灣東方馬達股份有限公司 105.11.12

http://www.chyenden.com.tw/product_b3-1.html

千電實業有限公司 105.11.19

http://www.adlee.com/index_c.html

愛德利 105.12.08

電力電子乙級技術士技能檢定術科 106.03.26

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