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電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 逢 甲 大 學 資訊電機工程碩士在職專班 碩 士 論 文 電動機車自動調整扭力電路之設計 電動機車自動調整扭力電路之設計 Design of Automatic Torque Adjustment for Electric Motorcycles 指導教授：鄭進興 研 究 生：馬大和 中 華 民 國 九 十 五 年 七 月 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) i誌誌 謝謝 本論文得以順利完成，要感謝逢甲大學資訊電機學院提供了良好學習及研究環境，使我能致力於相關方面的研究，亦感謝指導教授鄭進興博士的悉心指導與諄諄教誨。在逢甲大學資訊電機工程研究所求學過程鄭老師時時刻刻引導我正確的研究方向，不僅將專業理論傾囊相授，而且亦師亦友。每當研究上有困難時，老師總是提供寶貴意見並且細心指導學生。 也感謝口試委員國立成功大學電機所教授王醴博士、逢甲大學電機系教授黃昌圳博士在口試期間所提供之寶貴意見，使得本文能去蕪存菁，並加強其不足點。 同時亦感謝同班同學吳松峰、吳盛業、林孟亮、吳志禮、張鋑斌等，在逢甲求學的日子裡彼此在學業與生活上的切磋及互勉。 感謝久正光電游培池副總經理、江文達主任、翁志福主任及大學同學張富舜在硬體模擬器材的提供協助，使得硬體模擬的部份得以順利完成。 最後特別要感謝雙親及妻子張鈺棋及女兒筠喬，在我學業上與精神上的支持與照顧，使我能利用工作閒暇之餘利用時間致力於學業上的研究。最後感謝所有關心與愛護我的師長、親友，願在此與你們共享這份喜悅與榮耀。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) ii摘摘 要要 本 論 文 旨 在 探 討 電 動 機 車 如 何 克 服 扭 力 無 法 自 行 調整 問 題，首 先 研 究 電 動 機 車 之 架 構，再 以 運 用 實 際 電 力 電子 領 域 之 單 象 限 截 波 應 用 電 路、全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器實 際 搭 配 於 電 動 機 車 中，以 電 腦 輔 助 模 擬 軟 體 及 實 作 電 路波 形 測 量 證 明 其 特 性。再 以 單 象 限 截 波 應 用 電 路 為 基 礎 ，搭 配 差 動 放 大 器 實 現 電 動 機 車 有 段 改 變 轉 矩，及 搭 配 自 動控 制 元 件 之 可 程 式 控 制 器、人 機 介 面、步 進 馬 達 等 以 軟 體規 劃 實 現 電 動 機 車 無 段 改 變 轉 矩。最 後 再 以 實 際 電 動 機 車測 量 其 上 坡 角 度 不 同，直 流 馬 達 呈 現 不 同 特 性 以 印 證 其 改善 成 果 。 關 鍵 詞 ： 電 動 機 車 、 扭 力 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) iiiAbstract How to conquer the problem of shortage of automatic torque adjustment for electric motorcycles is the main purpose of this thesis. The structure of the electric motorcycle is explored in the first step. The single-quadrant chopper circuit and full-bridge dc-to-dc converter are applied to it for improving the performance through simulation and actual implement circuit. Based on the single-quadrant chopper circuit and differential amplifier, the step changed torque adjustment is constructed. With the help of Programmable Logic Controller (PLC), Human Machine Interface (HMI), and stepper motor, the stepless changed torque adjustment is achieved. Finally, the actual electric motorcycle with the proposed circuit is tested for different slop of the road to verify the result. Keywords: electric motorcycles, torque 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) iv目目 錄錄 誌謝誌謝 . i 中文摘要中文摘要 . ii 英文摘要英文摘要 . iii 目錄目錄 . iv 圖目錄圖目錄 . vii 表目錄表目錄 . ix 符號對照表符號對照表 . x 第一章第一章 緒論緒論 . 1 1.1 研究背景與目的 . 1 1.2 文獻回顧 . 3 1.3 本論文之貢獻 . 4 1.4 內容摘要 . 4 第二章第二章 電 動 機 車 電 路 架 構 概 說電 動 機 車 電 路 架 構 概 說 . 6 2.1 前言. 6 2.2 電動機車的電路構成. 6 2.2.1 充電系統 . 6 2.2.2 驅動控制系統 . 7 2.2.3 驅動馬達簡介 . 9 第三章第三章 電 動機車馬 達 控 制 電 路電 動機車馬 達 控 制 電 路 .11 3.1 前言.11 3.2 直流對直流轉換器簡介 .11 3.2.1 概說 .11 3.2.2 直流對直流轉換器之控制方式 .12 3.3 單象限截波應用電路.14 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) v3.3.1 單象限截波應用電路原理說明 .15 3.3.2 單象限截波應用電路模擬、實測結果分析.16 3.4 全橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 .19 3.4.1 全橋式直流對直流轉換器原理說明 .19 3.4.2 全橋式直流對直流轉換器模擬、實測結果分析 .23 3.5 直流 對 直 流 轉 換 器 切 換 開 關 的 選 用 .26 第四章第四章 電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現 .28 4.1 前言.28 4.2 單象限截波應用電路各部份簡介 .28 4.3 差動比較器簡介 .31 4-4 電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現 .32 第五章第五章 電動機車馬達控制無段改變轉矩之實現電動機車馬達控制無段改變轉矩之實現 .35 5.1 前言.35 5.2 可程式控制器(PLC)簡介 .35 5.3 人機介面(HMI)簡介 .36 5.4 步進馬達(Step Motor)簡介 .37 5.5 電動機車馬達控制無段改變轉矩之實現 .38 5.5.1 系統方塊圖示說明 .38 5.5.2 PLC內部規劃程式說明.40 5.5.3 人機介面畫面規劃程式說明 .44 5.5.4 無段改變轉矩控制單元實體圖 .45 第六章第六章 實測結果實測結果.46 第七章第七章 結論結論 .49 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) vi7.1 結論.49 7.2 未來展望 .49 參考文獻參考文獻 .51 作者簡介作者簡介 .53 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) vii圖目錄圖目錄 圖2.1 電動機車充電系統架構圖 . 6 圖2.2 電動機車常用之鉛酸電池 . 7 圖2.3 電動機車傳動系統 . 8 圖2.4 各式直流電機轉速與負載關係特性曲線 . 9 圖2.5 各式直流電機轉矩與負載關係特性曲線 .10 圖3.1 直流對直流轉換器系統方塊圖 .12 圖3.2 切換式直流對直流電壓轉換原理.13 圖3.3 切換式直流對直流電壓轉換波形.13 圖3.4 PWM切換控制的方塊圖 .14 圖3.5 PWM切換控制比較信號 .14 圖3.6 單 象 限 截 波 器 應 用 電 路 .15 圖3.7 單 象 限 截 波 器 模 擬 信 號 波 形 .17 圖3.8 單 象 限 截 波 器 實 測 信 號 波 形 .17 圖3.9 單 象 限 截 波 器 改 變 Vtrl模 擬 信 號 波 形 .18 圖3.10 單 象 限 截 波 器 改 變 Vtrl實 測 信 號 波 形 .18 圖3.11 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 電 路 .20 圖3.12 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 各 象 限 馬 達 狀 態 .20 圖3.13 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 開 關 電 路 .23 圖3.14 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 模 擬 波 形 一.24 圖3.15 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 模 擬 波 形 二.24 圖3.16 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 實 測 波 形 一.25 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) viii圖3.17 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 實 測 波 形 二.25 圖3.18 雙 極 性 電 晶 體 與 MOSFET符 號 表 示 .26 圖4.1 單象限截波應用電路各部位功能說明.29 圖4.2 輕 載 馬 達 負 載 端 即 時 電 壓 實 測 波 形 .30 圖4.3 重 載 馬 達 負 載 端 即 時 電 壓 實 測 波 形 .30 圖4.4 差動比較電路示意圖 .31 圖4.5 電動機車馬達控制有段改變轉矩方塊示意圖 .32 圖4.6 電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現 .33 圖5.1 三菱公司生產之火狐狸系列PLC外觀圖 .36 圖5.2 Digital公司生產之GP系列人機介面外觀圖 .36 圖5.3 步進馬達脈波信號示意圖 .37 圖5.4 東方馬達公司PK系列步進馬達及其驅動器外觀圖.38 圖5.5 電動機車馬達控制有段改變轉矩實現之方塊示意圖.38 圖5.6 單 象 限 截 波 應 用 電 路 三 角 波 自 動 振 幅 調 整 示 意圖 .39 圖5.7 PLC內 部 規 劃 程 式 階 梯 圖 .43 圖5.8 人 機 介 面 規 劃 畫 面 圖 .44 圖5.9 人 機 介 面 規 劃 畫 面 圖 (含 與 PLC連 結 位 址 ) .44 圖5.10 無 段 改 變 轉 矩 控 制 單 元 連 接 實 體 圖 .45 圖6.1 單象限截波應用電路局部放大圖.46 圖6.2 單象限截波應用電路實裝圖 .48 圖6.3 單象限截波應用電路實際裝配在電動機車照片 .48 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) ix表目錄表目錄 表 1-1 燃 燒 石 化 燃 料 產 生 有 害 氣 體 對 人 體 的 影 響 . 1 表 1-2 市 售 電 動 機 車 與 內 燃 機 引 擎 機 車 性 能 比 較 表 . 2 表 6-1 電動機車於行經各種不同路段的馬達電流實際記錄值.46 表 6-2 電動機車於行經各種不同路段的轉矩推算值 .47 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) x符號對照表符號對照表 T 轉矩(牛頓/米) 磁 通 (韋 伯 ) Ia 電 樞 電 流 (安 培 ) P 轉 部 磁 極 數 Z 轉 部 的 有 效 導 體 總 數 a 電 流 路 徑 數 責任週期 Vd 輸 入 直 流 電 源 電 壓 (伏 特 ) Vo 輸 出 直 流 電 壓 (伏 特 ) io 輸 出 電 流 (安 培 ) 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 1第一章第一章 緒論緒論 1.1 研究背景與目的研究背景與目的 工 業 革 命 以 來 ,石 化 燃 料 就 開 始 大 量 運 用 在 各 行 各業，也 由 於 工 業 的 發 展 快 速，人 們 對 於 交 通 運 輸 的 需 求，相 對 與 日 俱 增 ， 尤 其 以 石 油 能 源 為 燃 料 的 內 燃 機 汽 車 、機 車 的 發 展 最 為 迅 速 。 然 而 石 化 燃 料 在 地 球 的 存 量 畢 竟是 有 限 的 ， 隨 著 人 們 大 量 不 斷 開 採 造 成 石 化 燃 料 枯 竭 及近 年 來 環 保 意 識 不 斷 抬 頭 使 得 空 氣 污 染 的 問 題 日 益 遭 到重 視 ， 尤 其 內 燃 機 引 擎 汽 車 、 機 車 數 目 逐 年 增 加 ， 所 排放 出 來 的 廢 氣 ， 污 染 了 整 個 地 球 的 環 境 ， 對 人 體 及 地 球的 環 境 生 態 帶 來 莫 大 的 衝 擊 。 如 表 1-1 所 整 理 為 燃 燒 石化 燃 料 產 生 有 害 氣 體 對 人 體 的 影 響 。 表 1-1 燃 燒 石 化 燃 料 產 生 有 害 氣 體 對 人 體 的 影 響 有害氣體 一氧化碳 二氧化硫 二氧化氮 一氧化氦對人體影響 造成人體缺氧，嚴重可導致死亡 影響呼吸系統，可導致氣喘、肺氣腫等 刺激眼睛及呼吸系統 造成人體缺氧，損害中樞神經 因 上 述 種 種 原 因 使 得 號 稱 零 污 染 電 動 車 輛 相 關產 品 陸 續 問 世 ， 從 老 年 人 的 代 步 車 ， 電 動 機 車 ， 電 動 汽車 ， 電 動 升 降 機 等 相 關 產 品 一 一 被 開 發 出 來 ， 電 動 車 輛既 然 號 稱 零 污 染 、 低 噪 音 等 諸 多 優 點 。 但 卻 為 何現 在 走 到 馬 路 上 一 看 ， 仍 是 傳 統 須 靠 石 化 燃 料 當 燃 料 的電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 2內 燃 機 引 擎 為 主 的 交 通 工 具 ， 仔 細 追 根 究 底 之 下 ， 才 發現 電 動 車 相 關 產 品 仍 存 在 許 多 無 法 改 善 的 缺 失 。 也 因 為如 此 ， 直 至 今 日 雖 有 電 動 車 的 問 世 ， 但 仍 無 法 取 代 傳 統熱 燃 機 引 擎 交 通 工 具 。 如 表 1-2 所 整 理 為 市 售 電 動 機 車與 內 燃 機 引 擎 50c.c.機 車 性 能 比 較 表 。 表 1-2 市 售 電 動 機 車 與 內 燃 機 引 擎 機 車 性 能 比 較 表 比較項目種類 內燃機引擎機車電動機車 使用能源 石化燃料 電力 能源補充時間 5 分鐘/次(加油) 4 小時/次(充電) 預估售價(新台幣) 35000 元 45000 元 最高速度 7080 km/h 40 km/h 續航力 100km 40km 爬坡角度 15 度 8 度 平均使用成本 (含購入成本) 23 元/km 58 元/km 基 本 上 電 動 機 車 目 前 仍 有 以 下 缺 點 尚 未 得 到 較 好 的解 決 方 式 ， 如 上 坡 扭 力 不 足 、 續 航 力 不 足 、 時 速 不 及 傳統 熱 燃 機 引 擎 、 燃 料 補 充 時 間 (充 電 )冗 長 及 蓄 電 池 壽 命限 制 及 購 入 成 本 高 等 諸 多 問 題 造 成 無 法 普 及 的 原 因 ， 本論 文 所 要 探 討 的 即 為 上 坡 扭 力 不 足 之 問 題 ， 希 望 以 自 動控 制 加 上 電 力 電 子 電 路 來 加 強 補 救 其 不 足 ， 當 馬 達 運 轉時 自 動 偵 測 馬 達 電 流 回 饋 至 輔 助 電 路 (可 程 式 控 制 器 程式 控 制 電 路 )， 進 而 控 制 馬 達 控 制 電 路 (單 象 限 截 波 應 用電 路 )三 角 波 大 小，達 到 電 動 機 車 自 動 調 整 扭 力 的 目 的 。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 31.2 文獻回顧文獻回顧 在 1995 年由NED Mohan、TORE M.Undeland、WILLIAM P.Robbins等 三 人 著 作 ， Power electronics:converters, applications,and design一 書 1， 該 著 作 於 2001 年 由 國內 學 者 江 炫 樟 編 譯 成 中 文 ， 電 力 電 子 學 8， 針 對 各 式 直流 對 直 流 轉 換 器 有 了 詳 細 的 介 紹 及 說 明 ， 其 中 對 單 象 限截 波 應 用 電 路 ， 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 等 適 用 於 電 動機 車 之 電 力 電 子 電 路 工 作 原 理 、 架 構 等 有 明 確 的 解 說 ，使 的 筆 者 對 於 此 兩 電 路 之 原 理 有 深 刻 的 體 認 。 2003 年由大陸學者Lizhi Zhu,Kunrong Wang,Fred C.Lee, and Jih-Sheng Lai等 人 於IEEE發 表 之 ” New Start-up Schemes for Isolated Full-Bridge Boost Converents ”4， 其 中 雖 以 隔 離 式 全 橋 式 轉 換 器 為 基 礎 ， 但 其 中 之 各開 關 的 切 換 電 路 ， 剛 好 提 供 本 論 文 之 開 關 切 換 電 路 不 錯之 參 考 。 1989 年由GEORGE C.CHRYSSIS, HIGH-FREQUENCY SWITCHING POWER SUPPLIES 3， 及 有 號 稱 國 內 交 換 式電 源 供 應 器 設 計 者 必 讀 之 黑 皮 書 國 內 學 者 粱 適 安 編 譯 ，高 頻 交 換 式 電 源 供 應 器 9一 書，其 中 交 換 式 電 源 供 應 器之 過 電 流 保 護 設 計 ， 提 供 了 本 論 文 在 擷 取 回 授 信 號 之 馬達 負 載 即 時 電 壓 絕 佳 的 方 式 。 2005 年 電 力 電 子 研 討 會 由 鄭 進 興 博 士、馬 大 和 提 出” 電 動 車 自 動 調 整 扭 力 電 路 之 設 計 ” 17， 為 本 論 文 創電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 4作 之 前 期 作 品 。 加 上2000年 由 攝 陽 企 業 股 份 有 限 公 司 出 版 ，FX2N/1N/1S(增 訂 版 )系 列 13， 1994 年 由 文 笙 書 局 股份 有 限 公 司 出 版 ， 三 菱 可 程 式 控 制 器 使 用 範 例 大 全 14， 2005 年 由 黃 家 齊 譯 ， GP 人 機 圖 控 軟 體 操 作 手 冊 GP-PRO/PBIII for Windows 15，及 2002 年 由 台 灣 東 方馬 達 股 份 有 限 公 司 出 版 ， ORIENTAL MOTOR GENERAL CATALOGUE 綜 合 目 錄 16，等 書 籍 使 得 本 文 在 自 動 控制 的 部 分 有 了 實 現 的 最 佳 方 式 。 1.3 本論文之貢獻本論文之貢獻 本論文著墨於有效的改善電動機車上坡扭力調整問題，希望藉由此論文供有志研究電動機車馬達驅動電路之人員、電動機車製造廠商參考，能不斷推出改良型電動機車，以喚起社會大眾對電動機車的信心。 1.4 內容摘要內容摘要 本論文內容共分七章，主要針對電動車系之電動機車達成自動調整扭力電路之設計，各章主要內容概述如下： 第一章：簡單介紹本論文之研究背景與目的、內容摘要、文獻回顧、本論文之貢獻。 第二章：電 動 機 車 電 路 架 構 概 說 。 第三章：電動機車馬 達 控 制 電 路 (單 象 限 截 波 應 用 電 路 、電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 5全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 )基本架構，及調整其責任週期(duty cycle)之方式、直 流 對 直 流 轉 換 器 切 換開 關 的 選 用 。 第四章：電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現，主要介紹有段改變轉矩達成方法，包含搭配差 動 比 較 器 電 路 實行 方 式 、 系 統 架 構 等 說 明 。 第五章：電動機車馬達控制無段式改變轉矩之實現，主要介紹可程式控制器驅動步進馬達的方式達成電動機車無段式改變轉矩變速實現、系統架構等說明。 第六章：實測結果：包含電動機車上坡時電流測量及轉矩提升之推算，與硬體電路設計調整責任週期動作準位對應比較。 第七章：為本論文之最後總結及未來展望。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 6第二章第二章 電 動 機 車 電 路 架 構 概 說電 動 機 車 電 路 架 構 概 說 2.1 前言前言 在針對電動機車現有缺點改善之前，最重要的還是要了解現有電動機車之電路操作原理與特性，也就是所謂的現況掌握，良好的現況掌握可便於改良電路的研擬，方可針對其不足點加以改善，進而達到改善現有產品的目的。 2.2 電動機車的電路構成電動機車的電路構成 2.2.1 充電系統 在電動機車的充電系統構成是以交換式電源供應器的架構將交流電轉換成直流電，以直流電的方式對蓄電池進行充電，其架構如圖 2.1 所示9。 圖 2.1 電動機車充電系統架構圖 目前一般電動機車蓄電池皆採用鉛酸電池，如圖 2.2 所示，充電過程可分為以下幾個階段： 1. 充電開始初期，能量電極板中的硫酸鉛分解為硫酸，導致電極板細孔之電解質濃度上升，使得電池電壓上電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 7升。 2. 硫酸漸漸往外擴散，同時間電壓緩緩上升。 3. 電解液內之水分子大量被電解，在陰極的部份產生氫氣，在陽極產生氧氣，使得電壓再次上升。 4. 電壓持續上升至飽和，充電完成。 圖 2.2 電動機車常用之鉛酸電池 2.2.2 驅動控制系統 電動機車的帶動方式通常採用後輪傳動系統，如圖 2.3 所示。電池經由一單象限截波電路提供電力給直流馬達，進而帶動後輪讓車輛行進。藉由油門之可變電阻調整轉速控制信號的大小，與觸發電路基準的三角波比較，控制導通元件之責任週期(duty cycle)，以達到控制主電路導通或切斷的目的，進而調整 馬 達 的 輸 出 功 率 。 此 種 控 制 方 式 稱 為 脈 寬 調 變 方 式 (PWM Pulse-Width-Modulation)。關於單象限截波電路之工作原理將於第三章中詳述。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 8 圖 2.3 電動機車傳動系統 由 於 直 流 電 機 的 轉 速 控 制 方 法 之 為 改 變 電 樞 電壓 ， 當 電 樞 電 壓 提 升 相 對 電 樞 電 流 亦 加 大 ， 進 而 馬 達 轉矩 提 升 ， 由 （ 2.1） 、 （ 2.2） 式 中 可 看 出 其 關 係 7： aIaPZT2= （ 2.1）其 中 T 為 轉 矩 ， 為 磁 通 ， Ia為 電 樞 電 流 ， P 為 轉 部 磁極 數 ， Z 為 轉 部 的 有 效 導 體 總 數 ， a 為 電 流 路 徑 數 。 由於 P、 Z、 a、 2 皆 為 定 值 ， 可 直 接 用 Ka表 示 之 。 aaIKT= （ 2.2） 上 式 可 看 出 直 流 電 機 轉 矩 由 下 列 三 個 因 數 決 定 ： 1. 由 電 機 構 造 所 決 定 的 常 數 Ka。 2. 電 機 中 的 電 樞 電 流 Ia。 3. 電 機 中 的 磁 通。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 92.2.3 驅動馬達簡介 電動機車目前常用的驅動馬達為直流馬達，直流馬達依場電流的激磁方式可分為外激式及自激式兩種，其中自激式又可區分有分激式、串激式、複激式等，複激式又可細分為積複激式及差複激式兩種。基本上直流電動機之構造與直流發電機完全相同，唯一的差異即為作用原理相反，電動機為輸入電能而產生動能，發電機則是輸入動能而產生電能18。 直流電機由於構造不同故有不同的特性。各種類的電機適合搭配何種負載的驅動，必需根據電機之轉速特性及轉矩特性決定，也因此直流電機重要的特性曲線有轉速特性曲線及轉矩特性曲線。圖 2.4 為各式直流電機轉速與負載關係特性曲線，圖 2.5 為各式直流電機轉矩與負載關係特性曲線。 圖 2.4 各式直流電機轉速與負載關係特性曲線 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 10 圖 2.5 各式直流電機轉矩與負載關係特性曲線 前段有提到直流電機由於構造不同故有不同的特性。各種類的電機適合搭配何種負載的驅動，一般來說分激式電機的速度受到負載影響最小，可把它當為恆速電機，其適用於恆速用轉的場合如車床、輸送機等。串激式電機具有低速高轉矩、高速低轉矩之特性，故串激式電機消耗的功率幾乎為固定的，可視為一種變速電動機，適用於不需恆速且需要大轉矩的場合，如電車、電動車、電動機車、起重機、吊車等等。積複激式電機在負載突然加大時，會產生很大的轉矩，在無載時有一定的速率，可適用於突然加以重載之滾壓機等。差複激式電機亦可稱為定速電機，但因其轉矩特性太差，現已幾乎不使用。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 11第三章第三章 電 動機車馬 達 控 制 電 路 電 動機車馬 達 控 制 電 路 3.1 前言前言 直流馬達搭配各種不同的轉換器可得到不同的驅動特性，以達到機械負載的需求。單象限截波應用電路、 全 橋 式 直 流對 直 流 轉 換 器 均 為一直流對直流轉換器。直流對直流轉換器被廣泛的運用在可調整型的切換式電源供應器及直流馬達驅動器。單象限截波應用電路、全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 由於控制穩定且設計簡易，目前已被廣泛的運用於電動機車驅動電路，本章將著重於單象限截波應用電路、 全 橋 式 直 流 對 直 流轉 換 器 驅動直流馬達工作原理介紹。 3.2 直流對直流轉換器簡介直流對直流轉換器簡介 3.2.1 概說 直流對直流轉換器大略可分為隔離型及非隔離型兩種型式，通常用於直流電源供應器時需要變壓器進行隔離，而用於直流馬達驅動器則不需隔離。如圖3.1為典型直流對直流轉換器系統方塊圖，其輸入一般為交流整流而成或蓄電池提供之非調整直流電壓，然後再利用切換式直流對直流轉換器將此非調整之直流電壓轉換成具調整性之直流電壓。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 12 圖 3.1 直流對直流轉換器系統方塊圖 直流馬達驅動用之直流對直流非隔離形式轉換器，包含以下各種轉換型式2： 1. 降壓式轉換器(buck converter) 2. 升壓式轉換器(boost converter) 3. 升降壓式轉換器(buck-boost converter) 4. 邱克轉換器(Cuk converter) 5. 全橋式轉換器(full brideg converter) 3.2.2 直流對直流轉換器之控制方式 簡單來說，直流對直流之作用為在輸入電壓與輸出負載變動的情形之下，能夠調整輸出電壓為所設定的準位。如圖3.2電路所示為切換式直流對直流電壓轉換原理。由切換開關截止與導通可得圖3.3切換式直流對直流電壓轉換波形，其中輸出電壓Vo的大小與開關導通與截止時間(ton 與 toff)所佔比例有關8。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 13 圖3.2切換式直流對直流電壓轉換原理 圖3.3切換式直流對直流電壓轉換波形 輸出電壓 Vo大小的調整最常用的方法是採用脈波寬度調變，其切換週期Ts=ton+toff為固定不變，由調整ton與toff所佔比例不同，藉而改變輸出電壓Vo的大小。 PWM切換控制的方塊圖如圖3.4所示，開關的切換信號由一控制信號Vcontrol與一個週期為Ts之三角波Vtrl兩者比較而得。Vontrol、Vtrl與比較所得的切換控制信號波形如圖3.5PWM切換控制比較信號所示。圖中可明顯的看出當Vtrl小於Vcontrol時，兩者相比較的結果為高準位觸發開關導通，反之為低準位時開關無觸發訊號為截止狀態。由以上的原理可知，開關切換的責任週期為式（ 3.1） 。to n為 開 關 的 導 通 時 間，式（ 3.1）所 示 8。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 14sonTt= （ 3.1） offonsttT+= （ 3.2） 圖3.4PWM切換控制的方塊圖 圖3.5PWM切換控制比較信號 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 153.3 單象限截波應用電路單象限截波應用電路 3.3.1 單象限截波應用電路原理說明 圖 3.6所 示 為 單 象 限 截 波 器 應 用 電 路 ， 圖 中 所 示 IG1為 POWER MOSFET之 觸 發 信 號 ， IG1由 直 流 電 壓 訊 號 命令 Vc o n t r o l與 三 角 波 Vt r l兩 者 相 比 較 結 果 而 得 知，如 果 三 角波 訊 號 Vt r l小 於 直 流 電 壓 訊 號 命 令 Vc o n t r o l時 ， 則 POWER MOSFET有 觸 發 信 號 (即 IG1為 高 電 位 );反 之 如 果 三 角 波訊 號 Vt r l大 於 直 流 電 壓 訊 號 命 令 Vc o n t r o l時 ， 則 POWER MOSFET沒 有 觸 發 信 號 (即 IG1為 低 電 位 ) 8。 圖 3.6單 象 限 截 波 器 應 用 電 路 當 直 流 電 壓 訊 號 命 令 Vc o n t r o l調 大 時，則 IG1眽 波 寬 度增 加，相 反 的 當 直 流 電 壓 訊 號 命 令 Vc o n t r o l調 小 時，則 IG1眽 波 寬 度 減 少 ， 由 上 述 可 知 藉 由 調 整 直 流 電 壓 訊 號 命 令電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 16Vc o n t r o l大 小 ， 便 會 變 更 POWER MOSFET導 通 時 間 的 長短 ， 意 即 調 整 此 單 象 限 截 波 器 的 責 任 週 期 1。 截 波 器 係 一 種 直 流 與 直 流 的 轉 換 器 ， 其 在 直 流 的 系統 中 的 功 能 相 似 於 交 流 系 統 中 的 變 壓 器 ， 換 句 話 說 ， 截波 器 可 視 為 直 流 系 統 中 的 變 壓 器 。 目 前 應 用 於 許 多 直 流馬 達 控 制 轉 速 系 統 中 ， 皆 以 各 種 形 式 的 截 波 器 作 為 馬 達的 驅 動 器，因 直 流 馬 達 轉 速 是 由 電 壓 控 制，藉 由 控 制 Duty cycle可 以 控 制 平 均 電 壓 進 而 控 制 馬 達 的 轉 速。另 外 由 於截 波 器 使 用 交 換 式 的 操 作 ， 大 大 提 升 直 流 馬 達 系 統 的 效率 。 3.3.2 單象限截波應用電路模擬、實測結果分析 圖 3.7 及 圖 3.8 分 別 所 示 為 單 象 限 截 波 器 應 用 電 路 利用 電 腦 輔 助 軟 體 (PSPICE)模 擬 、 實 際 電 路 所 測 量 而 出 的波 形 結 果 。 由 此 兩 圖 可 明 顯 的 看 出 當Vt r l電 壓 大 於Vc o n t r o l則 POWER MOSFET 沒 有 觸 發 信 號 (IG1)， 直 流 馬達 則 無 啟 動 電 壓 ， 反 之 Vt r l電 壓 小 於 Vc o n t r o l則 POWER MOSFET 有 觸 發 信 號 (IG1)， 馬 達 平 均 電 壓 為 提 供 電 壓 Duty cycle。 由上可印證 3.2.2 節所述理論17。 圖 3.9 及 圖 3.10 所 示 分 別 為 單 象 限 截 波 器 應 用 電 路改 變 Vt r l，Vc o n t r o l電 壓 準 位 不 變，電 腦 輔 助 軟 體 (PSPICE)模 擬 、 實 際 電 路 所 測 量 而 出 的 波 形 結 果 。 由 此 可 證 明 若要 改 變 馬 達 平 均 電 壓 的 方 法 除 了 調 整 Vc o n t r o l外，亦 可 調整 Vt r l來 達 到 調 整 Duty cycle 的 目 的 17。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 17 圖 3.7單 象 限 截 波 器 模 擬 信 號 波 形 圖 3.8單 象 限 截 波 器 實 測 信 號 波 形 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 18 圖 3.9 單 象 限 截 波 器 改 變 Vt r l模 擬 信 號 波 形 圖 3.10 單 象 限 截 波 器 改 變 Vt r l實 測 信 號 波 形 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 193.4 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 3.4.1 全橋式直流對直流轉換器原理說明 如 圖 3.11 為 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 電 路 ， 此 全 橋式 直 流 對 直 流 轉 換 器 般 主 要 用 途 如 下 8： 1. 直 流 馬 達 驅 動 器 。 2. 有 變 壓 器 隔 離 的 直 流 交 換 式 電 源 供 應 器 中 直 流轉 換 到 交 流 。 3. 不 斷 電 電 源 供 應 系 統 的 直 流 轉 換 至 交 流 。 以 上 三 種 用 途 電 路 雖 類 似 ， 但 切 換 控 制 則 因 用 途 而有 所 不 同 。 本 文 將 以 直 流 馬 達 驅 動 器 的 應 用 來 控 制 單 象限 截 波 器 應 用 電 路 因 應 不 同 狀 況 調 整 控 制 負 載 馬 達 電壓 責 任 週 期 。 圖 3.11 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 的 輸 入 為 一 固 定 直流 電 源 電 壓 Vd，它 的 輸 出 電 壓 極 性 亦 可 正 亦 可 負 之 直 流電 壓 Vo， 輸 出 電 流 io為 雙 向 性 ， 亦 可 流 入 也 可 流 出 ， 因此 此 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 為 一 個 四 象 限 轉 換 器 ， 它可 操 作 在 Vo - io平 面 任 一 象 限 ， 如 圖 3.12 所 示 17。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 20 圖 3.11全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 電 路 圖 3.12全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 各 象 限 馬 達 狀 態 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 21圖 3.11電 路 中 的 每 一 個 開 關 接 反 並 接 一 個 二 極 體 ，首 先 說 明 開 關 導 通 與 開 關 導 流 兩 個 名 詞 ， 因 為 反 並 接 二極 體 的 原 因 ， 開 關 就 算 加 觸 發 信 號 ， 若 輸 出 電 流 io為 反向 ， 則 流 經 二 極 體 ， 並 非 流 經 開 關 ， 此 時 稱 開 關 在 導 通狀 態 ； 反 之 若 輸 出 電 流 io為 正 向 ， 則 其 電 流 流 經 開 關 此時 稱 開 關 在 導 流 狀 態 8。 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 包 含 A、 B兩 臂 (Legs)， 每一 臂 上 都 有 兩 個 開 關 和 兩 個 並 聯 反 接 於 開 關 上 的 二 極體 ， 同 一 臂 上 兩 個 開 關 導 通 狀 況 是 互 鎖 的 ， 意 即 一 個 導通 ， 另 外 一 個 就 一 定 為 截 止 ， 不 可 能 為 兩 個 開 關 同 時 導通 。 但 我 們 在 實 際 電 路 製 作 上 ， 需 考 慮 實 際 開 關 元 件 並非 理 想 元 件 ， 兩 個 開 關 的 切 換 時 間 必 須 錯 開 以 避 免 電 路短 路 ， 因 此 存 在 一 個 兩 開 關 同 時 截 止 的 短 暫 微 小 時 間 ，此 時 間 我 們 稱 之 為 空 白 時 間 (Blanking time)， 本 文 探 討時 假 設 所 有 元 件 皆 為 理 想 元 件 ， 故 不 考 慮 此 空 白 時 間 。 假 如 此 轉 換 器 上 的 每 一 臂 上 的 兩 個 開 關 的 導 通 皆 為互 鎖 的 ， 理 想 狀 況 下 輸 出 電 流 io必 為 連 續 模 式 ， 其 輸 出電 壓 乃 由 開 關 狀 態 決 定 之 ， 例 如 當 TA +導 通 時 ， 若 io為正 時 則 TA +導 流，若 為 負 時 則 流 經 DA +，在 上 述 兩 種 情 況下 ， A 點 之 電 位 均 等 於 直 流 輸 入 側 之 正 端 電 壓 ， 意 即 ： dANVV= (TA +ON，TA -OFF) （ 3.3） 同 理 可 得 知 ， 當 TA -導 通 時 ， 若 io為 負 則 TA -導 流 ， 若 為電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 22正 則 其 流 過 DA -， 因 此 0=ANV (TA -ON，TA +OFF) （ 3.4） 由 （ 3.3） 及 （ 3.4） 兩 式 可 知 VA N電 壓 由 開 關 導 通 狀態 與 輸 出 電 流 io之 方 向 所 決 定 的 。 而 VA N的 平 均 電 壓 則 由輸 入 電 壓 大 小 與 TA +的 責 任 週 期 所 決 定 的 ， 因 此 可 知 ：()cycledutyTVTtVVAdsondAN+= （ 3.5） （ 3.5） 式 中 to n與 to f f為 TA +導 通 及 截 止 時 間 比 例 ， Ts為 整個 週 期 時 間 。 同 理 可 證 ， B臂 平 均 電 壓 VB N為 ： ()cycledutyTVVBdBN+= （ 3.6） 由 （ 3.5） 及 （ 3.6） 兩 式 可 得 知 輸 出 電 壓 ： BNANoVVV= （ 3.7） 輸 出 電 壓 可 經 由 控 制 開 關 之 責 任 週 期 來 調 整 其 大 小與 極 性 ， 與 io之 大 小 及 流 向 沒 有 關 係 。 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 因 為 其 輸 出 電 壓 的 極 性 亦可 正 亦 可 負 ， 因 此 脈 波 寬 度 調 變 (PWM)的 方 式 乃 用 一 直流 控 制 電 壓 與 一 三 角 波 兩 者 相 比 較 來 取 得 各 個 開 關 的 切換 信 號 。 圖 3.13 即 為 PWM 控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換器 各 個 開 關 實 際 電 路 。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 23 圖 3.13 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 開 關 電 路 利 用 直 流 控 制 電 壓 訊 號 命 令 與 三 角 波 兩 電 壓 訊 號 比較，藉 而 控 制 A 臂 (TA +&TA -)及 B 臂 (TB +&TB -)4 顆 POWER MOSFET 閘 極 ， 進 而 控 制 直 流 馬 達 正 反 轉 。 當 TA +與 TB - POWER MOSFET 導 通 則 馬 達 正 轉，當 TA -與 TB + POWER MOSFET 導 通 則 馬 達 逆 轉 。 TA + 與 TA - 互 鎖 ， 同 一 時 間只 有 其 一 導 通 ， TB + 與 TB - 亦 相 同 456。 3.4.2 全橋式直流對直流轉換器模擬、實測結果分析 圖 3.14 所 示 當 控 制 電 壓 訊 號 為 負 值 時 ， 則 馬 達 呈 反轉 狀 態 ， 反 之 如 圖 3.15 所 示 ， 三 角 波 訊 號 不 變 ， 當 控 制電 壓 訊 號 為 正 值 時 ， 則 馬 達 呈 現 正 轉 現 象 。 由 此 可 證 上述 理 論 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 輸 出 電 壓 極 性 可 由 改 變控 制 電 壓 訊 號 改 變 ， 進 而 控 制 馬 達 正 逆 轉 。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 24 圖 3.14 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 模 擬 波 形 一 圖 3.15 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 模 擬 波 形 二 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 25 圖 3.16 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 實 測 波 形 一 圖 3.17 PWM控 制 全 橋 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 實 測 波 形 二 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 26圖 3.16 及 圖 3.17 所 示 為 PWM 控 制 全 橋 式 直 流 對 直流 轉 換 器 實 測 波 形 ， 由 此 兩 圖 可 證 明 圖3.14 及 圖3.15之 模 擬 結 果 ， 當 控 制 電 壓 極 性 的 改 變 可 控 制 馬 達 端 電 壓的 正 負 ， 意 即 控 制 馬 達 的 轉 向 。 3.5 直 流 對 直 流 轉 換 器 切 換 開 關 的 選 用直 流 對 直 流 轉 換 器 切 換 開 關 的 選 用 圖 3.18 所 示 為 直 流 對 直 流 轉 換 器 常 用 的 切 換 開 關 ，分 別 是 功 率 型 金 屬 氧 化 半 導 體 場 效 電 晶 體(metal-oxid-semiconductor field-effect transistor MOSFET)及 雙 極 性 電 晶 體 。 雖 然 此 兩 種 元 件 皆 稱 為 電 晶體 ， 但 我 們 必 須 很 清 楚 的 瞭 解 ， MOSFET 與 雙 極 性 電 晶體 ， 在 操 作 原 理 與 構 造 仍 有 顯 著 的 差 異 點 。 其 中 兩 者 最大 的 差 異 點 就 是 雙 極 性 電 晶 體 為 少 數 載 子 半 導 體 元 件 ，而 MOSFET 則 為 多 數 載 子 半 導 體 元 件 8。 圖 3.18 雙 極 性 電 晶 體 與 MOSFET 符 號 表 示 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 27雙 極 性 電 晶 體 基 本 上 是 屬 於 電 流 驅 動 的 元 件 ， 意 即若 要 使 集 極 端 有 電 流 產 生 ， 就 必 須 在 基 極 端 輸 入 電 流 ，產 生 的 集 極 電 流 正 比 例 於 此 雙 極 性 電 晶 體 的 增 益 12。 而 MOSFET 則 為 電 壓 控 制 的 元 件 ， 若 要 使 洩 極 端 有電 流 產 生 ， 必 須 在 閘 極 與 源 極 間 提 供 一 額 定 的 電 壓 值 ，由 於 閘 極 與 源 極 之 間 因 製 程 設 計 有 被 氧 化 矽 層 作 電 器 隔離 ， 因 此 只 會 有 極 少 量 的 漏 電 流 會 經 由 來 源 的 電 壓 源 進入 閘 極 。 也 因 如 此 ， MOSFET 具 有 極 高 的 增 益 及 輸 入 阻抗 12。 從 另 外 一 個 角 度 來 看 ， MOSFET 的 工 作 頻 率 遠 大 於雙 極 性 電 晶 體 ， 一 般 來 說 其 工 作 頻 率 可 達 20kHZ 以 上 ，一 般 將 其 設 計 至 100kHZ 皆 不 是 難 事 ， 而 將 工 作 頻 率 提升 的 好 處 不 少 ， 其 中 最 重 要 的 優 點 就 是 減 少 體 積 的 大 小與 重 量 。 MOSFET 雖 功 率 容 量 不 及 雙 極 性 電 晶 體 ， 由 於MOSFET 具 有 正 溫 度 係 數 的 特 性 ， 非 常 適 合 並 聯 使 用 ，剛 好 可 補 強 其 缺 點 。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 28第四章第四章 電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現 4.1 前言前言 第三章分析了直流對直流轉換器工作原理，知道藉 由 控 制直流對直流轉換器之責任週期可 以 控 制 馬 達 的 轉 速 。 但 先前 所 提 的 單 象 限 截 波 器 Vt r l三 角 波 信 號 為 固 定 ， 意 即 在電 路 中 產 生 一 個 三 角 波 作 為 基 準 ， 藉 由 改 變 油 門 可 變 電阻 (Vc o n t r o l)之 電 壓 使 其 兩 者 相 比 較 ， 來 控 制 傳 動 馬 達 的控 制 電 壓 的 大 小 。 但 電 動 機 車 遇 到 路 況 坡 度 變 化 時 ， 馬達 轉 矩 需 求 不 同 時 ， 就 必 須 隨 時 改 變 油 門 可 變 電 阻 以 達到 穩 定 的 轉 速 ， 此 為 一 單 段 (無 變 速 的 電 動 機 車 驅 動 電路 )。 為 改 善 該 問 題 ， 此 時 的 解 決 方 法 之 一 就 是 改 變 Vt r l的 大 小 振 幅 ， 意 即 調 整 單 象 限 截 波 器 之 責 任 週 期 ， 以 達到 馬 達 轉 矩 變 化 的 目 的 。 本 章 將 概 述 以 單 象 限 截 波 應 用電 路 搭 配 差 動 比 較 器 等 電 子 電 路 達 成 電 動 機 車 之 有 段 改變 轉 矩 的 方 法 。 4.2 單象限截波應用電路各部份簡介單象限截波應用電路各部份簡介 如圖 4.1 所示，將第三章單象限截波應用電路各部位功能圖示，藉以此圖可明確看出此電路欲改變責任週期可調整的部位、信號擷取的位置等相關資訊。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 29 圖 4.1 單象限截波應用電路各部位功能說明 上圖除包含一三角波產生電路之外，其中 VR1 的功能為控制三角波的振幅、VR2 為控制三角波的對襯性、VR3 為調整控制信號 Vcontrol電壓大小。 其 中 在 圖 4.1 的 右 下 方 ， 有 一 只偵 測 電 阻 ， 此 電 阻 的 功 能 如 下 段 說 明 。 欲 達 到 自 動 改 變 轉 矩 就 必 須 隨 時 掌 握 馬 達 的 即 時 狀態 39，為 達 到 功 能，在 此 我 們 用 了 一 個 小 技 巧，那 就是 利 用 歐 姆 定 律 的 原 理 ， 在 馬 達 對 地 端 串 連 一 只 電 阻 ，當 馬 達 需 全 速 前 進 或 扭 力 變 大 時 ， 流 經 馬 達 的 電 流 會 有變 化 ， 相 對 此 電 阻 的 端 電 壓 也 會 產 生 變 化 ， 此 電 壓 剛 好可 以 讓 我 們 拿 來 當 馬 達 負 載 即 時 電 壓 訊 號 ， 而 達 成 自 動改 變 轉 矩 的 功 能。圖 4.2、及 圖 4.3 所 示 為 馬 達 負 載 即 時電 壓 在 輕 載 與 重 載 變 化 實 測 波 形 。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 30 圖 4.2 輕 載 時 馬 達 負 載 端 即 時 電 壓 實 測 波 形 圖 4.3 重 載 時 馬 達 負 載 端 即 時 電 壓 實 測 波 形 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 314.3 差動比較器簡介差動比較器簡介 圖 4.4 所示為差動比較電路示意圖，此電路被廣泛的運用於 A/D 轉換器中，本章將對其動作原理簡介，並利用此電路達到電路達成電動車有段改變轉矩之實現。 圖 4.4 差動比較電路由差動比較器、電阻器、基準電壓訊號、變動電壓訊號所構成，其動作原理如後。基準電壓經由電阻器串聯電路分壓成各準位不同之基準電位，此準位不同之基準電位再提供給各組差動放大器的負端，由此準位不同之基準電位當成各差動放大器的觸發臨界電位，差動放大器之正端則接上變動電壓訊號。意即視變動電壓的大小，觸發各段的差動比較器，各差動放大器正端電壓大於負端觸發臨界電位，則該差動放大器即輸出1011。 圖 4.4 差動比較電路示意圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 324.4 電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現 在 4.1 節中有提到，調整馬達控制器責任週期(Duty cycle)的 方 法 除 了 改 變 油 門 可 變 電 阻 (Vc o n t r o l)之 電 壓 之 外 ， 也可 藉 由 改 變 基 準 三 角 波 (Vt r l)的 大 小 振 幅 而 達 成 。 如 圖4.5 所 示 為 單 象 限 截 波 應 用 電 路 搭 配 差 動 比 較器 所 組 成 之 電 動 機 車 馬 達 控 制 有 段 改 變 轉 矩 之 方 塊 示 意圖 ： 由 圖 中 可 了 解 欲 控 制 單 象 限 截 波 應 用 電 路 輸 出 電 壓責 任 週 期 的 方 式 有 兩 種 ： 一 為 用 手 動 調 整 油 門 可 變 電 阻(Vc o n t r o l)之 電 壓，另 一 種 方 式 為 自 動 調 整 基 準 三 角 波 (Vt r l)的 大 小 振 幅 。 圖 4.5 電動機車馬達控制有段改變轉矩方塊示意圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 33 圖 4.6 電動機車馬達控制有段改變轉矩之實現 圖 4.6 為電動機車馬達控制有段改變轉矩之實際電路，本電路可依路況自動調整馬達轉矩，共分為四段，其中可分為單象限截波應用電路、差動比較器、三角波振幅控制電路三大部分。說明如後：將馬達負載即時電壓訊號(V4)當成差動比較器電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 34之變動電壓訊號，再與差動比較器各段基準電壓(V1、V2、V3)訊號比較，控制光耦合器(U1、U2、U3)的導通，進而控制基準三角波的振幅大小。意即當 V4 小於 V1、V2、V3 時則控制三角波振幅大小的電阻值為 R1 之值，當 V4 大於 V1 但小於 V2、V3 時差動放大器 1 輸出，同時 U1 動作，此時控制三角波振幅大小的電阻值為 R1/R4，當 V4 大於 V1、V2 但小於 V3 時差動放大器 1、2 輸出，同時 U1、U2 動作，此時控制三角波振幅大小的電阻值為 R1/R4/R3，直至 V4 大於 V1、V2、V3 時差動放大器 1、2、3 全部輸出， U1、U2、U3 全部動作，此時控制三角波振幅大小的電阻值為 R1/R4/R3/R2。藉由以上原理搭配至實際電路，可依電動車行經不同路況得到不同的三角波振幅，意即可依路況即時改變單象限截波應用電路的責任週期，進而控制馬達的扭力。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 35第五章第五章 電動機車馬達控制無段改變轉矩之實現電動機車馬達控制無段改變轉矩之實現 5.1 前言前言 在 第 四 章 中 有 提 到 ， 調 整 馬 達 控 制 器 責 任 週 期 (Duty cycle)的 方 法 之 為 改 變 基 準 三 角 波 (Vt r l)的 大 小 振 幅 而達 成 。 第 四 章 也 以 單 象 限 截 波 應 用 電 路 搭 配 差 動 比 較 器等 電 子 電 路 組 合 來 實 現 電 動 機 車 之 有 段 改 變 轉 矩 。 本 章將 探 討 無 段 改 變 轉 矩 之 實 現 ， 同 樣 以 單 象 限 截 波 電 路 為基 礎 ， 附 加 自 動 控 制 元 件 可 程 式 控 制 器Programmable Logic Controller(PLC) 、 人 機 介 面Human Machine Interface(HMI)，及搭配步進馬達等元件，用軟體規劃的方式來達成馬達控制器無段改變轉矩之實現。 5.2 可程式控制器可程式控制器(PLC)簡介簡介 可程式控制器被廣泛的運用的使用在工業自動化已數十年，目前可程式控制器仍然在工業自動化具有舉足輕重的地位。追朔起可程式控制器誕生的背景，最主要的是取代繼電器電路控制的煩瑣配線及讓自動化設備成為可變性、彈性化的設備。可程式控制器的出現，所帶來的省配線、控制盤小型化及控制內容可程式化的諸多優點使得工業自動化的效率大幅提升。由於可程式控制器製造廠商繁多，且搭配應用軟體及程式撰寫語法不盡相同，故本文將以目前在台灣地區使用十分普遍的日本三菱公司生產的火狐狸系列可程式控制器及其搭配軟體GPP Function software for Windows(GPPW)作為介紹內容。圖電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 365.1 所示為三菱公司生產之火狐狸系列 PLC 外觀圖13 14。 圖 5.1 三菱公司生產之火狐狸系列 PLC 外觀圖 5.3 人機介面人機介面(HMI)簡介簡介 承 5.2 節所提工業自動化在近數十年有巨大的轉變，首先有了 PLC 的誕生，PLC 的誕生使工業自動化向前跨了一大步，但人與機械的溝通仍須靠按鈕、指撥開關操作(輸入信號)及以指 示 燈 或 其 他 訊 息 (輸 出 信 號 )來 監 控 設 備 狀 態 ， 鑒 於 此 不 方便，於是又有了人機介面(HMI)的誕生。圖 5.2 所示為 Digital公司生產之 GP 系列人機介面外觀圖15。 圖 5.2 Digital 公司生產之 GP 系列人機介面外觀圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 37自從人機介面出現後，工業自動化繼 PLC 誕生後又向前跨了一大步。由於人機介面製造廠商繁多，且搭配應用軟體及程式撰寫語法不盡相同，故本文將以目前在台灣地區使用十分普遍的日本 Digital 公司生產的 GP 系列人機介面及其搭配軟體GP-PRO/PBIII for Windows 作為介紹內容。 5.4 步進馬達步進馬達(Step Motor)簡介簡介 簡單來說步進馬達是一種能以數位控制，可用於高定位精度之馬達。步進馬達是一種以既設的角度為單位運轉之馬達，它能以脈波控制運轉行程及依脈波頻率控制其轉速，本文將以PLC 控制步進馬達驅動器，再以步進馬達驅動器控制步進馬達。假設步進馬達精度為一脈波代表 0.72o ，意即欲使馬達旋轉 一 週 所 需 脈 波 數 為 (360 o / 0.72o) = 500。 脈 波 係 指 電 壓ON/OFF 反覆的電氣，如圖 5.3 所示。本文將以日本東方馬達公司所生產 PK 系列的 5 相步進馬達來作為介紹內容。圖 5.4 為步進馬達及其驅動器外觀圖16。 圖 5.3 步進馬達脈波信號示意圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 38 圖 5.4 東方馬達公司 PK 系列步進馬達及其驅動器外觀圖 5.5 電動機車馬達控制無段改變轉矩之實現電動機車馬達控制無段改變轉矩之實現 5.5.1 系統方塊圖示說明 圖 5.5 電動機車馬達控制無段改變轉矩實現之方塊示意圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 39如圖 5.5 所示為電動機車馬達控制無段改變轉矩實現之方塊示意圖。其中步進馬達利用機械連鎖構造調整單象限截波應用電路之三角波振幅可變電阻，進而達到調整單象限截波應用電路輸出之責任週期。其示意圖如圖 5.6。與有段變速相同的是我們同樣以馬達負載即時電壓為參考信號，將此參考之類比電壓信號利用 A/D 轉換器成數位信號並提供給 PLC，PLC 接收此信號再利用內部規劃之程式，判斷步進馬達轉向及行走步數，並同時判斷是否超出內部規劃之平路行走預設馬達負載即時電壓信號，若已超出，代表電動機車已在爬坡階段，此時步進馬達輸出信號啟動。步進馬達再以機械連接的方式與控制主電路之三角波振幅大小調整可變電阻連接，進而達到調整控制主電路輸出責任週期，其步進馬達的運轉狀態我們可由 HMI 上監視之，步進馬達的運轉頻率亦可由 HMI 設定之。 圖 5.6 單 象 限 截 波 應 用 電 路 三 角 波 自 動 振 幅 調 整 示 意 圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 40在 此 我 們 將 步 進 馬 達 分 割 成400 等 分 ， 每 一 等 分 代表 為 機 械 運 轉 角 度 0.72o，每 一 等 分 代 表 馬 達 負 載 即 時 電壓 訊 號10mV。 表 示 我 們 意 即 馬 達 負 載 即 時 電 壓 訊 號 每上 升10mV， 步 進 馬 達 即 正 轉 一 步 ， 當 馬 達 負 載 即 時 電壓 訊 號 每 下 降10mV， 步 進 馬 達 即 逆 轉 一 步 。 也 表 示 我們 將 馬 達 負 載 即 時 電 壓 訊 號 範 圍 訂 在 04V。運 用 此 功 能即 時 調 整 單 象 限 截 波 應 用 電 路 三 角 波 振 幅 ， 達 到 即 時 調整 責 任 週 期 的 目 的 。 5.5.2 PLC 內部規劃程式說明 如 圖 5.7 所 示 為 PLC 內 部 規 劃 程 式 之 階 梯 圖 ， 說 明如 下 ： STEP 08 為 步 進 馬 達 正 逆 轉 訊 號 輸 出 、 STEP 3237為 即 時 絕 對 位 置 計 算 、 STEP 4252 為 正 逆 轉 輸 出 訊 號 、STEP 64-79 為 判 斷 運 轉 於 平 路 或 上 坡 、 STEP 81-87 為輸 出 絕 對 位 置 上 下 限 設 定、STEP 167189 為 步 進 馬 達 正逆 轉 判 斷 、 STEP 199215為 輸 入 值 大 於 設 定 值 時 保 護(大 於 可 變 電 阻 之 旋 轉 角 度 )、STEP 226 為 步 進 馬 達 走 行步 數 計 算 、 STEP 247259為 步 進 馬 達 行 走 步 數 計 算 、STEP 269 為 步 進 馬 達 行 走 終 了 訊 號 、 STEP 290339 為PLC 與 A/D 轉 換 器 連 結 指 令 。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 41 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 42 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 43 圖 5.7 PLC 內 部 規 劃 程 式 階 梯 圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 445.5.3 人機介面畫面規劃程式說明 有 了 5.5.2 節 的 程 式，仍 無 法 驅 動 整 個 系 統，原 因 為此 程 式 尚 有 部 分 的 輸 入 /輸 出 的 部 份 必 須 與 人 機 介 面 結合 ， 人 機 介 面 之 畫 面 如 圖 5.8 所 示 。 圖 5.9 所 示 之 人 機介 面 畫 面 上 註 記 之 位 址 為 與 PLC 內 部 連 接 點 之 位 址 。 圖 5.8 人 機 介 面 規 劃 畫 面 圖 圖 5.9 人 機 介 面 規 劃 畫 面 圖 (含 與 PLC 連 結 位 址 ) 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 455.5.4 無段改變轉矩控制單元實體圖 如 圖5.10所 示 為 無 段 改 變 轉 矩 控 制 單 元 連 接 實 體圖 。 圖 5.10 無 段 改 變 轉 矩 控 制 單 元 連 接 實 體 圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 46第六章第六章 實測結果實測結果 圖6.1為本文所述單象限截波應用電路局部放大圖，我們可明確看出本電路馬達負載電流須大於1A以上，馬達負載即時電壓訊號才會大於0V。此設計為考慮馬達基本運轉電流，與表6-1中平路運轉的電流值相差不遠，意即電動車在平路運轉之下，並不需要靠調整單象限截波應用電路三角波振幅來改變責任週期。 表6-1電動機車於行經各種不同路段的馬達電流實際記錄值 平路 上坡8度 上坡15度 上坡20度 上坡30度 時速 30km/h 20km/h 15km/h 10km/h 0km/h 電流 DC1.2A DC1.6A DC3.3A DC3.8A DC4A以上 圖6.1 單象限截波應用電路局部放大圖 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 47 表6-2為表6-1之延伸，以表6-1電動機車於行經各種不同路段的電流實際記錄值，推算出轉矩的變化量。以平路運轉電流訂為基準電流，平路轉矩轉矩為基準轉矩訂100%，利用 （ 6.1） 、（ 6.2） 18推 算 出 電 動 機 車 行 走 於 各 上 坡 角 度 不 同 路 段之 轉 矩 。 2aaaIKIKT= （ 6.1） 基準轉矩基準電流實際電流 .2= T （ 6.2） 表6-2電動機車於行經各種不同路段的轉矩推算值 平路 上坡8度 上坡15度 上坡20度 上坡30度 電流 DC1.2A DC1.6A DC3.3A DC3.8A DC4A以上 轉矩 100% 177.8% 756.3% 1002.8% 磁通已飽和 圖6.2為本文所述單象限截波應用電路實裝圖，圖6.3為單象限截波應用電路實際裝配在電動車照片。 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 48 圖6.2 單象限截波應用電路實裝圖 圖6.3 單象限截波應用電路實際裝配在電動機車照片 電動機車自動調整扭力電路之設計 逢甲大學 e-Thesys(94 學年度) 49第七章第七章 結論及未來展望結論及未來展望 7.1 結論結論 電 動 車 系 無 法 普 及 的 原 因 諸 多 ， 本 論 文 所 探 討 只 為其 中 一 小 部 份 ， 就 個 人 的 瞭 解 並 親 自 向 經 銷 商 詢 問 ， 得到 的 結 果 為 一 般 民 眾 購 買 電 動 車 均 會 後 悔 ， 在 環 保 問 題逐 漸 受 到 重 視 、 石 油 日 漸 高 漲 的 今 日 ， 如 何 喚 起 民 眾 對電 動 車 的 信 心 ， 是 從 事 電 機 相 關 人 員 責 無 旁 貸 的 任 務 。 針 對 此 問 題 ， 電 動 機 車
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