周邊硬體介紹

5 5- - -1. - 1. 1. 1. 前言前言前言前言

由於本次專題把電機控制理論與實務結合成一體，但必定要先熟析外部硬體架構，再從控制理論去做探討，才能解決在實務上遇到的問題。本章節由直流無刷馬達開始介紹，到調速手把跟剎車手把以及腳踏車整體的機械架構。

5 5 5

5- - -2. - 2. 2. 2. 本專題所使用之直流無刷馬達介紹本專題所使用之直流無刷馬達介紹本專題所使用之直流無刷馬達介紹本專題所使用之直流無刷馬達介紹

直流無刷電機的各項參數

電機種類 : 永磁式同步電動機 (直流無刷馬達，BLDC) 電機容量 : 240W(輸入額定功率)

額定電壓 : 24V (輸入相電壓峰值)

額定電流 : 10A (輸入線電流峰值，相電流與線電流相同) 電機極數 : 20 極

定子槽數 : 18 槽

轉動型態 : 外轉型電機額定轉速 : 900

rpm

轉速比(齒輪比) : (輪殼 72 齒) / (轉子 18 齒) = 4 輪框直徑 : 26 吋 (0.66 米)

額定時速 : 3.14159

0.66 900 / (60

4)=7.77 公里/每小時

霍爾線 : 五條(依序為紅、綠、藍、黃、黑，其中紅+5V，黑為

GND

)

電源線 : 三條(依序為綠，黃，藍，分別代表

、

相)

圖 5-3. 輪殼齒輪與行星齒輪(1) 圖 5-4. 輪殼齒輪與行星齒輪(2) 電機構造由內向外依序為 : 轉子，轉子齒輪，行星齒輪(三顆)，單向軸承，外框齒輪，外殼，幅條。

其中三顆行星齒輪之下的圓形鋼片即為單向軸承。

轉子齒輪轉子一體成型，當轉子轉動時，會帶動轉子齒輪，進而帶動三顆行星齒輪，此時行星齒輪與轉子齒輪為反向，再經過輪殼齒輪後，又回復到正向。

經過單向軸承後，可以確保當馬達正轉的時候，輪殼齒輪也是正轉。而馬達停轉，腳踏車倒退時，轉子齒輪固定，而只有行星齒輪與單向軸承同時在輪殼內轉動。其中單向軸承要跟轉軸上的鍵(插銷鋼片)互相配合，否則單向軸承即完全沒意義，輪殼不會轉動，而內部轉子會空轉。

現實生活中，ㄧ般的齒輪傳動工具，都會用到單向軸承這類的機

械零件，所以鍵的重要性，對於單向軸承而言，就如同大門的鑰匙一

樣。鍵放置的位置如圖 5-5.所示。

圖 5-5. 單向軸承與鍵的位置

5 5 5

5- - -3. - 3. 3. 3. 齒輪比介紹齒輪比介紹齒輪比介紹齒輪比介紹

齒輪為最常用的機械元件之一，現今被廣泛的使用在機械傳動裝置當中。經由不同的齒輪數組合，可以得到任意且正確的轉速比，利用齒輪數的增減，可以自由的變換回軸之間的互相關係位置。

本專題所使用下表 5-1 中的平行軸的內齒輪，動力傳輸效率可以達到 98%以上。一般業界使用的內齒輪都會與外齒輪互相搭配以達到最高動力傳輸效率的期望結果。

表 5-1. 齒輪的分類跟種類以及各類的效率

下圖 5-6 即為內齒輪與外齒輪搭配的示意圖，圓形的齒輪為內齒輪，其弧形齒輪為外齒輪其中一段截圖。內齒輪與正齒輪相咬合，是在圓環內側切齒的齒輪，主要用在行星齒輪傳動機構以及齒輪聯軸器等應用上。

圖 5-6. 外齒輪與內齒輪示意圖

齒輪箱示意圖如下圖 5-7，其中

代表齒輪數，

代表轉速。若要求齒輪 3 順時鐘轉，那只要下命令讓齒輪 1 順時鐘轉，即讓齒輪 2 逆時鐘轉，而齒輪 2 又使齒輪 3 順時鐘轉，如此即可達到期望結果。

即齒輪與齒輪之間，為不同方向的旋轉。

圖 5-7. 齒輪箱示意圖

5 5

5 5- - -4. - 4. 4. 4. 調速轉把調速轉把調速轉把調速轉把( ( ( (含電源指示燈含電源指示燈含電源指示燈) 含電源指示燈 ) ) )

調速手把如圖 5-8 所示。原本使用可變電組調整 0 到 5V 的電壓，

轉換成 0 到 625 格的訊號來控制速度。

而我們使用調速轉把手取代可變電阻以增加便利性，調速把手為市面上已商品化的成品，共有四條訊號線，分別為紅、綠、藍、黃，

其中紅線接+5V，綠線接調整信號端，藍線接

GND

，而黃線為 24V 蓄

電池的電量指示燈，接+24V。原本使用 0 到 5V 的電壓在轉換成 625

格當控速訊號，但調速把手固定最低輸出 0.85V，最高輸出 4.2V，所

以一開始就將責任週期初始值設為 100 的以快速達到最大動摩擦的

起動轉矩。

圖 5-8. 調速手把跟電源指示燈

5 5 5

5- - -5. - 5. 5. 5. 剎車手把剎車手把剎車手把剎車手把

剎車手把是市面上已商品化的成品，有兩條線紅、白如圖 5-9 所示。本專題將煞車手把接上剎車電路。平時狀態為開路，當剎車按下，

則兩條線(紅、白)短路，煞車電路動作，使三相變頻器的 PWM 信號停

止即為電氣剎車。

5 5

5 5- - -6. - 6. 6. 6. 電動自行車之機械結構電動自行車之機械結構電動自行車之機械結構電動自行車之機械結構

ㄧ般電動自行車機械驅動模式有分三種 1. 後輪驅動模式

市面上有五成左右都是把電機裝在後輪，以後輪驅動的方式來動作，這樣一來，雖然直接驅動效率比較高，而且還可以透過後輪外部本身的齒輪比來調整負載，使蓄電池快沒電的時候，電機還可以緩慢的動作。

2. 皮帶驅動模式

皮帶驅動的製作方式也是以後輪為主，而利用皮帶去帶動後輪的轉軸，但皮帶放置在外部，免不了損壞而送廠維修。

比較不經濟。

3. 前輪驅動模式

前輪驅動的方式則是直接帶動整台腳踏車跟負載，所需要的功率比較大，也不能以外部齒輪比去調整，但是裝置方便，也不需考慮皮帶等等的問題。目前很多零售電動自行車的業者，都會建議消費者買這類的腳踏車來自己組裝，也比較節省人力跟物力去組裝跟維修。所以本專題使用前輪驅動模式去使電動自行車動作。

5 5 5

5- - -7. - 7. 7. 7. 結語結語結語結語

以上為對控制電路以外的周邊硬體設備的介紹及說明，本章

節把每種硬體分別介紹，其中齒輪比及單向軸承的機械相關知識

是實作中最不熟悉而所要需要了解的，在此章針對機械相關知識

作簡單的介紹。

第第第

第六六六章六章章章實測結果實測結果實測結果實測結果

6.1 前言前言前言前言

使用 dsPIC30F4011 做信號源，產生六步方波給閘極驅動電路，

測量三相變頻器的上下臂驅動電路的輸出點，確定送給三相變頻器的訊號正確無誤後，同時避免上下臂開關同時導通。當三相變頻器正常運作後，確立其輸出電壓為六步方波，利用原動機帶動無刷直流電動機，測量反電動勢波形，並和三相變頻器的六步方波作相位對齊，方可將原動機移除，再以馬達回傳之訊號透過 DSP 控制板及變頻器帶動電動機。

最後再將本專題所有的電力電路加裝於自行車上，以相同的方式帶動自行車上的無刷直流馬達，即完成了電動自行車的製作。

6.2 實測及結果實測及結果實測及結果實測及結果

量測的內容包括霍爾訊號、

PWM

輸出波形、上下臂輸入波形、三相變頻器產生之相電壓、六步方波及不同轉速下的六步方波。

6.2.1 電壓偵測元件的霍爾信號量測電壓偵測元件的霍爾信號量測電壓偵測元件的霍爾信號量測電壓偵測元件的霍爾信號量測

下圖 6-1 為無刷直流電動機中的霍爾效應偵測元件外接出來的三條霍爾信號線的每相對地的電壓信號量測。由於單晶片輸入最大電壓為 5.5V，所以在提升電阻前加入 5V 的電壓，其

H_a

，

H_b

，

H_c

皆為 5V。

因為訊號輸出有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。

由示波器量測的周期推算得知頻率為：

相為 31.25HZ；

相為

31.25HZ；

相為 31.25HZ。

6.2.2 dsPIC 之之之 PWM 輸出量測之輸出量測輸出量測輸出量測

圖 6-2 只量測

相的 PWM 輸出，其餘兩相波形各與

相相差 120°。

圖 6-2 a相 PWM 輸出 : CH1 為 PWM1 的電壓與頻率波形，CH2 則為 PWM0。

6.2.3 功率級電晶體上功率級電晶體上功率級電晶體上、功率級電晶體上、、、下臂輸入量測下臂輸入量測下臂輸入量測下臂輸入量測

圖 6-3 只量測

相的閘極輸入電壓，其餘兩相波形各與

相相差 120°。

圖 6-3 上、下臂輸入量測 : CH1 為a相上臂的閘極輸入電壓與頻率，

CH2 則為a相下臂的閘極輸入電壓與頻率。

6.2.4 三相變頻器產生之相電壓三相變頻器產生之相電壓三相變頻器產生之相電壓三相變頻器產生之相電壓

下圖 6-4 為三相變頻器產生之相電壓所量測的波形，其中

相電壓為 32.4V，

相電壓為 32.4

_，c

相電壓為 35.2V。

圖 6-4 三相變頻器之相電壓穩態響應 :

CH1 為a相對地的電壓波形，CH2 為b相對地，CH3 為c相對地。

6.2.5 無載六步方波無載六步方波無載六步方波(三相變頻器之線對線電壓無載六步方波三相變頻器之線對線電壓三相變頻器之線對線電壓三相變頻器之線對線電壓)

下圖 6-5 為三相變頻器產生之線對線電壓所量測的波形，其中

相電壓為 48V，

相電壓為 48V

，c

相電壓為 48V。因為訊號輸出有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。以週期推算出頻率：CH1 為 143HZ；CH2 為 143HZ；CH3 為 143HZ。

圖 6-5 六步方波之電壓大小說明圖 6-5. CH1 為a相對b相的線對線電壓波形

CH2 為b相對c相的線對線電壓波形 CH3 為c相對a相的線對線電壓波形

6.2.6 最大轉速之下的六步方波最大轉速之下的六步方波最大轉速之下的六步方波最大轉速之下的六步方波

命令加速至最大命令加速至最大命令加速至最大命令加速至最大：：：：

下圖 6-6 為調速手把命令值調至最大時，三相變頻器產生之線對線電壓所量測的波形，其中

相電壓為 48V，

相電壓為 48V

_，c

相電壓為 48V。因為訊號輸出有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。

由示波器量測的周期推算頻率得知：CH1 為 250HZ；CH2 為 250HZ；CH3 為 250HZ。

圖 6-6 六步方波之電壓大小

CH1 為a相對b相的線對線電壓波形 CH2 為b相對c相的線對線電壓波形 CH3 為c相對a相的線對線電壓波形

6.3 結語結語結語結語

在經過多次的重複測量跟不斷校正之後，本專題現在可以根據實

測波形的結果，看出理論跟實際上的互相呼應，同時也驗證了本專題

所應用的六步方波控制理論的正確性。雖然目前都是以空載的狀態去

測量波形跟數據，尚未使用到加載跟測量兩用的儀器，但實測結果跟

電動自行車實際運轉負重加載的結果到目前為止仍在穩定的狀態。

第七第七第七

b. 第二組為利用 LM324 組成的迴授訊號放大電路。

3. 用人力踩的時候，經過升壓的功率轉換器使直流無刷馬達當成發電機使用，能有充電效果回充到電池，一方面也是響應環保節能的觀念。同時電動自行車也達到健身跟便利性的雙贏。

4. 由於目前電路設計在測試階段，所以分為五塊電路板，體積仍然龐大，因此待各項功能均成熟完備後，規劃將所有使用到電路板合在一起洗成正式的電路板。

5. 目前使用傳統的脈波寬調變法則(

^PWM

)，若能改用弦式脈寬調變法則(

SPWM

)或電壓空間向量脈寬調變法則(

VSVPWM

)，更能減少

PWM

信號之輸出總諧波失真，效率更高，噪音更小，

可利用於各方面控制無刷直流馬達之場合。

參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

[1] Microchip，“dsPIC30F4011/4012 Data Sheet”，Microchip Technology lnc 2007。

[2] Microchip，”Sensored BLDC Motor Control Using dsPIC30F2010”

，Microchip Technology lnc 2005。

[3] Microchip，”Motor Control Sensor Feedback Circuits” ，Microchip Technology lnc 2003。

[4] Microchip，”Using the dsPIC30F for Sensorless BLDC Control” ， Microchip Technology lnc 2006。

[5] Microchip，”APP009 dsPIC30F4011/4012/2010 Motor Control

Family”Evaluation Board 使用說明” ，Microchip Technology lnc 2004。

[6] 曾百由，”dspic 數位訊號控制器原理及應用”，宏友圖書有限公司，2006 年 10 月。

[7] http://www.alldatasheet.com/，“US1K Data Sheet”。

[8] http://www.irf.com/，“IR2101S/IR2102S Data Sheet”。

[9] 台灣科技大學電機工程系，”電動自行車驅動系統之製作” 九五

學年度專題報告。

附錄附錄附錄附錄 A A A A 電動自行車法令條文電動自行車法令條文電動自行車法令條文電動自行車法令條文

附錄附錄附錄

JP21（3）> Pin21 > PortB.bit2，CN4

JP21（2）> Pin20 > PortB.bit1，CN3

JP21（1）> Pin19 > PortB.bit0，CN2

JP16(1-2)，

JP28（1）> Pin27 >PortB.bit8，AN8，

JP19（5）> Pin25 > PortB.bit6，RB6

JP2（6）> Pin18 > /MCLR

JP2（2），JP3（1） > Pin1 > PortF.bit2，

PGC

JP2（2），JP4（1）> Pin44 > PortF.bit3，

PGD

附錄附錄

附錄附錄附錄

線上串列燒錄時脈輸入腳位。

RB0-RB8 I/O ST PORTB 雙向輸出入埠

RC13-RC15 I/O ST PORTC 雙向輸出入埠

RD0-RD3 I/O ST PORTD 雙向輸出入埠

RE0-RE5, RE8

I/O ST PORTE 雙向輸出入埠

RF0-RF6 I/O ST PORTF 雙向輸出入埠

VDD P - 邏輯及輸出入腳位電源供應正端

VSS P - 邏輯及輸出入腳位電源供應接地參

考點

VREF₊ I Analog 類比模組參考電壓正端

VREF₋ I Analog 類比模組參考電壓負端

符號註解： CMOS＝CMOS 相容的輸出或輸入 Analog＝類比輸入 ST＝附 CMOS 層次的 Schimitter 觸發器 O＝輸出

I＝輸入 P＝電源

附錄附錄

附錄附錄 E E E E 轉速閉迴路程式碼及註解轉速閉迴路程式碼及註解轉速閉迴路程式碼及註解轉速閉迴路程式碼及註解

//轉速閉迴路程式碼及註解

#define _dsPIC30F4011_ //含入標頭檔

#include <p30F4011.h> //以下三行為以 p30f4011.h 內之函式鎖定工作環境控制模式

#include "C30EVM_LCD.h"

_FOSC(CSW_FSCM_OFF & HS); //選擇使用外接之振盪器(20Mhz)，選擇 HS 無倍頻之起盪模式 _FWDT(WDT_OFF); //關閉看門狗功能

_FBORPOR(MCLR_EN & PWMxH_ACT_HI & PWMxL_ACT_HI);

//設定電路有重置工能，上 PWM 為正電源動作，下 PWM 為負電源動作

unsigned int HallValue; //霍爾狀態值

unsigned int StateLoTable[]={0x0000, 0x0210,0x2004,0x0204,0x0801,0x0810,0x2001, 0x0000};

//若環境設定內設定上 PWM 與下 PWM 皆為正電源動作則要改用下表

//unsigned int StateLoTable[]={0x0000, 0x0205, 0x2011, 0x0211,0x0814, 0x0805, 0x2014, 0x0000};

//---變數宣告區結束---

{ //前三個為抓由電流取樣電阻取得之電壓經反向放大電路與濾波電路得到之值 if(0.8<= DesiredSpeed < 1.0)

DesiredSpeed=0;

//if(0.9<= DesiredSpeed < 1.0) //DesiredSpeed=0.15;

if(1.0<= DesiredSpeed < 1.1) DesiredSpeed=0.3;

if(1.1<= DesiredSpeed < 1.2) DesiredSpeed=0.45;

if(1.2<= DesiredSpeed < 1.3) DesiredSpeed=0.6;

DesiredSpeed=0.75;

if(1.4<= DesiredSpeed < 1.5) DesiredSpeed=0.9;

if(1.5<= DesiredSpeed < 1.6) DesiredSpeed=1.05;

if(1.6<= DesiredSpeed < 1.7) DesiredSpeed=1.20;

if(1.7<= DesiredSpeed < 1.8) DesiredSpeed=1.35;

if(1.8<= DesiredSpeed < 1.9) DesiredSpeed=1.50;

if(1.9<= DesiredSpeed < 2.0) DesiredSpeed=1.65;

if(2.0<= DesiredSpeed < 2.1) DesiredSpeed=1.80;

if(2.1<= DesiredSpeed < 2.2) DesiredSpeed=1.95;

if(2.2<= DesiredSpeed < 2.3) DesiredSpeed=2.10;

if(2.3<= DesiredSpeed < 2.4) DesiredSpeed=2.25;

if(2.4<= DesiredSpeed < 2.5) DesiredSpeed=2.40;

if(2.5<= DesiredSpeed < 2.6) DesiredSpeed=2.55;

if(2.6<= DesiredSpeed < 2.7) DesiredSpeed=2.70;

if(2.7<= DesiredSpeed < 2.8) DesiredSpeed=2.85;

if(2.8<= DesiredSpeed < 2.9) DesiredSpeed=3.0;

if(2.9<= DesiredSpeed < 3.0) DesiredSpeed=3.15;

if(3.0<= DesiredSpeed < 3.1)

if(3.3<= DesiredSpeed < 3.4) DesiredSpeed=3.75;

if(3.4<= DesiredSpeed < 3.5) DesiredSpeed=3.90;

if(3.5<= DesiredSpeed < 3.6) DesiredSpeed=4.05;

if(3.6<= DesiredSpeed < 3.7) DesiredSpeed=4.20;

if(3.7<= DesiredSpeed < 3.8) DesiredSpeed=4.35;

if(3.8<= DesiredSpeed < 3.9) DesiredSpeed=4.50;

if(3.9<= DesiredSpeed < 4.0) DesiredSpeed=4.65;

if(4.0<= DesiredSpeed < 4.1) DesiredSpeed=4.80;

if(4.1<= DesiredSpeed < 4.2) DesiredSpeed=5.0;

IEC0bits.CNIE = 1; //將輸入改變中斷致能設為 1 表示允許此中斷發生

}

PDC1 = 50; //給定 PDC 初始值

ActualSpeed =ActualSpeed >> 1;

if (ActualSpeed > DesiredSpeed) {

SpeedError=ActualSpeed - DesiredSpeed;

} else {

SpeedError= DesiredSpeed - ActualSpeed;

Flags.Minus = 1;

}

SpeedIntegral += SpeedError; //誤差值積分計算 if (SpeedIntegral > 4500)

SpeedIntegral = 0;

{ //減速以消除過電流情行 PDC1=10 ;

PDC2=PDC1;

PDC3=PDC1;

}

else //若未發生過電流則把新的 DutyCycle 載入 PDC {

PDC1= DutyCycle;

PDC2=PDC1;

PDC3=PDC1;

} return;

}

//---其他功能副程式區結束--- //---此為延遲副程式--- int N=1;

void DelayNmSec(unsigned int N) //此為延遲副程式 DelayNmSec 延遲 1ms 的一個參數；

{ //注意不是只以迴圈數計算，C 語言一個語法可能有多個動作，須較多工作時間

unsigned int j ; while (N--)

for(j = 0;j < MILLISEC;j++);

}

附錄附錄附錄附錄 F. . . . D D D DSP SP SP 控制器之 SP 控制器之控制器之控制器之電路圖電路圖電路圖電路圖

附錄附錄

附錄附錄 G 驅動電路之驅動電路之驅動電路之驅動電路之電路圖電路圖電路圖電路圖

在文檔中電動自行車之電動機驅動器製作 (頁 55-0)

5 5- - -1. - 1. 1. 1. 前言 前言 前言 前言

5 5 5

5- - -2. - 2. 2. 2. 本專題所使用之直流無刷馬達介紹 本專題所使用之直流無刷馬達介紹 本專題所使用之直流無刷馬達介紹 本專題所使用之直流無刷馬達介紹

直流無刷電機的各項參數

電機種類 : 永磁式同步電動機 (直流無刷馬達，BLDC) 電機容量 : 240W(輸入額定功率)

額定電壓 : 24V (輸入相電壓峰值)

額定電流 : 10A (輸入線電流峰值，相電流與線電流相同) 電機極數 : 20 極

定子槽數 : 18 槽

轉動型態 : 外轉型電機 額定轉速 : 900

轉速比(齒輪比) : (輪殼 72 齒) / (轉子 18 齒) = 4 輪框直徑 : 26 吋 (0.66 米)

額定時速 : 3.14159

0.66

900 / (60

4)=7.77 公里/每小時

霍爾線 : 五條(依序為紅、綠、藍、黃、黑，其中紅+5V，黑為

)

電源線 : 三條(依序為綠，黃，藍，分別代表

、

、

相)

圖 5-3. 輪殼齒輪與行星齒輪(1) 圖 5-4. 輪殼齒輪與行星齒輪(2) 電機構造由內向外依序為 : 轉子，轉子齒輪，行星齒輪(三顆)，單 向軸承，外框齒輪，外殼，幅條。

其中三顆行星齒輪之下的圓形鋼片即為單向軸承。

轉子齒輪轉子一體成型，當轉子轉動時，會帶動轉子齒輪，進而 帶動三顆行星齒輪，此時行星齒輪與轉子齒輪為反向，再經過輪殼齒 輪後，又回復到正向。

現實生活中，ㄧ般的齒輪傳動工具，都會用到單向軸承這類的機

械零件，所以鍵的重要性，對於單向軸承而言，就如同大門的鑰匙一

樣。鍵放置的位置如圖 5-5.所示。

圖 5-5. 單向軸承與鍵的位置

5 5 5

5- - -3. - 3. 3. 3. 齒輪比介紹 齒輪比介紹 齒輪比介紹 齒輪比介紹

齒輪為最常用的機械元件之一，現今被廣泛的使用在機械傳動裝 置當中。經由不同的齒輪數組合，可以得到任意且正確的轉速比，利 用齒輪數的增減，可以自由的變換回軸之間的互相關係位置。

本專題所使用下表 5-1 中的平行軸的內齒輪，動力傳輸效率可以 達到 98%以上。一般業界使用的內齒輪都會與外齒輪互相搭配以達到 最高動力傳輸效率的期望結果。

表 5-1. 齒輪的分類跟種類以及各類的效率

下圖 5-6 即為內齒輪與外齒輪搭配的示意圖，圓形的齒輪為內齒 輪，其弧形齒輪為外齒輪其中一段截圖。內齒輪與正齒輪相咬合，是 在圓環內側切齒的齒輪，主要用在行星齒輪傳動機構以及齒輪聯軸器 等應用上。

圖 5-6. 外齒輪與內齒輪示意圖

齒輪箱示意圖如下圖 5-7，其中

代表齒輪數，

代表轉速。若 要求齒輪 3 順時鐘轉，那只要下命令讓齒輪 1 順時鐘轉，即讓齒輪 2 逆時鐘轉，而齒輪 2 又使齒輪 3 順時鐘轉，如此即可達到期望結果。

即齒輪與齒輪之間，為不同方向的旋轉。

圖 5-7. 齒輪箱示意圖

5 5

5 5- - -4. - 4. 4. 4. 調速轉把 調速轉把 調速轉把 調速轉把( ( ( (含電源指示燈 含電源指示燈 含電源指示燈) 含電源指示燈 ) ) )

調速手把如圖 5-8 所示。原本使用可變電組調整 0 到 5V 的電壓，

轉換成 0 到 625 格的訊號來控制速度。

而我們使用調速轉把手取代可變電阻以增加便利性，調速把手為 市面上已商品化的成品，共有四條訊號線，分別為紅、綠、藍、黃，

其中紅線接+5V，綠線接調整信號端，藍線接

，而黃線為 24V 蓄

電池的電量指示燈，接+24V。原本使用 0 到 5V 的電壓在轉換成 625

格當控速訊號，但調速把手固定最低輸出 0.85V，最高輸出 4.2V，所

以一開始就將責任週期初始值設為 100 的以快速達到最大動摩擦的

起動轉矩。

圖 5-8. 調速手把跟電源指示燈

5 5 5

5- - -5. - 5. 5. 5. 剎車手把 剎車手把 剎車手把 剎車手把

剎車手把是市面上已商品化的成品，有兩條線紅、白如圖 5-9 所 示。本專題將煞車手把接上剎車電路。平時狀態為開路，當剎車按下，

則兩條線(紅、白)短路，煞車電路動作，使三相變頻器的 PWM 信號停

止即為電氣剎車。

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5 5- - -6. - 6. 6. 6. 電動自行車之機械結構 電動自行車之機械結構 電動自行車之機械結構 電動自行車之機械結構

ㄧ般電動自行車機械驅動模式有分三種 1. 後輪驅動模式

市面上有五成左右都是把電機裝在後輪，以後輪驅動的 方式來動作，這樣一來，雖然直接驅動效率比較高，而且還 可以透過後輪外部本身的齒輪比來調整負載，使蓄電池快沒 電的時候，電機還可以緩慢的動作。

2. 皮帶驅動模式

皮帶驅動的製作方式也是以後輪為主，而利用皮帶去帶 動後輪的轉軸，但皮帶放置在外部，免不了損壞而送廠維修。

比較不經濟。

3. 前輪驅動模式

5 5 5

5- - -7. - 7. 7. 7. 結語 結語 結語 結語

以上為對控制電路以外的周邊硬體設備的介紹及說明，本章

節把每種硬體分別介紹，其中齒輪比及單向軸承的機械相關知識

是實作中最不熟悉而所要需要了解的，在此章針對機械相關知識

作簡單的介紹。

第 第 第

第六 六 六章 六 章 章 章 實測結果 實測結果 實測結果 實測結果

6.1 前言 前言 前言 前言

使用 dsPIC30F4011 做信號源，產生六步方波給閘極驅動電路，

最後再將本專題所有的電力電路加裝於自行車上，以相同的方式 帶動自行車上的無刷直流馬達，即完成了電動自行車的製作。

6.2 實測及結果 實測及結果 實測及結果 實測及結果

量測的內容包括霍爾訊號、

輸出波形、上下臂輸入波形、三 相變頻器產生之相電壓、六步方波及不同轉速下的六步方波。

6.2.1 電壓偵測元件的霍爾信號量測 電壓偵測元件的霍爾信號量測 電壓偵測元件的霍爾信號量測 電壓偵測元件的霍爾信號量測

5 5- - -1. - 1. 1. 1. 前言前言前言前言

5- - -2. - 2. 2. 2. 本專題所使用之直流無刷馬達介紹本專題所使用之直流無刷馬達介紹本專題所使用之直流無刷馬達介紹本專題所使用之直流無刷馬達介紹

轉動型態 : 外轉型電機額定轉速 : 900

圖 5-3. 輪殼齒輪與行星齒輪(1) 圖 5-4. 輪殼齒輪與行星齒輪(2) 電機構造由內向外依序為 : 轉子，轉子齒輪，行星齒輪(三顆)，單向軸承，外框齒輪，外殼，幅條。

轉子齒輪轉子一體成型，當轉子轉動時，會帶動轉子齒輪，進而帶動三顆行星齒輪，此時行星齒輪與轉子齒輪為反向，再經過輪殼齒輪後，又回復到正向。

5- - -3. - 3. 3. 3. 齒輪比介紹齒輪比介紹齒輪比介紹齒輪比介紹

齒輪為最常用的機械元件之一，現今被廣泛的使用在機械傳動裝置當中。經由不同的齒輪數組合，可以得到任意且正確的轉速比，利用齒輪數的增減，可以自由的變換回軸之間的互相關係位置。

本專題所使用下表 5-1 中的平行軸的內齒輪，動力傳輸效率可以達到 98%以上。一般業界使用的內齒輪都會與外齒輪互相搭配以達到最高動力傳輸效率的期望結果。

下圖 5-6 即為內齒輪與外齒輪搭配的示意圖，圓形的齒輪為內齒輪，其弧形齒輪為外齒輪其中一段截圖。內齒輪與正齒輪相咬合，是在圓環內側切齒的齒輪，主要用在行星齒輪傳動機構以及齒輪聯軸器等應用上。

代表轉速。若要求齒輪 3 順時鐘轉，那只要下命令讓齒輪 1 順時鐘轉，即讓齒輪 2 逆時鐘轉，而齒輪 2 又使齒輪 3 順時鐘轉，如此即可達到期望結果。

5 5- - -4. - 4. 4. 4. 調速轉把調速轉把調速轉把調速轉把( ( ( (含電源指示燈含電源指示燈含電源指示燈) 含電源指示燈 ) ) )

而我們使用調速轉把手取代可變電阻以增加便利性，調速把手為市面上已商品化的成品，共有四條訊號線，分別為紅、綠、藍、黃，

5- - -5. - 5. 5. 5. 剎車手把剎車手把剎車手把剎車手把

剎車手把是市面上已商品化的成品，有兩條線紅、白如圖 5-9 所示。本專題將煞車手把接上剎車電路。平時狀態為開路，當剎車按下，

5 5- - -6. - 6. 6. 6. 電動自行車之機械結構電動自行車之機械結構電動自行車之機械結構電動自行車之機械結構

市面上有五成左右都是把電機裝在後輪，以後輪驅動的方式來動作，這樣一來，雖然直接驅動效率比較高，而且還可以透過後輪外部本身的齒輪比來調整負載，使蓄電池快沒電的時候，電機還可以緩慢的動作。

皮帶驅動的製作方式也是以後輪為主，而利用皮帶去帶動後輪的轉軸，但皮帶放置在外部，免不了損壞而送廠維修。

5- - -7. - 7. 7. 7. 結語結語結語結語

第第第

第六六六章六章章章實測結果實測結果實測結果實測結果

6.1 前言前言前言前言

最後再將本專題所有的電力電路加裝於自行車上，以相同的方式帶動自行車上的無刷直流馬達，即完成了電動自行車的製作。

6.2 實測及結果實測及結果實測及結果實測及結果

輸出波形、上下臂輸入波形、三相變頻器產生之相電壓、六步方波及不同轉速下的六步方波。

6.2.1 電壓偵測元件的霍爾信號量測電壓偵測元件的霍爾信號量測電壓偵測元件的霍爾信號量測電壓偵測元件的霍爾信號量測

下圖 6-1 為無刷直流電動機中的霍爾效應偵測元件外接出來的三條霍爾信號線的每相對地的電壓信號量測。由於單晶片輸入最大電壓為 5.5V，所以在提升電阻前加入 5V 的電壓，其

6.2.2 dsPIC 之之之 PWM 輸出量測之輸出量測輸出量測輸出量測

6.2.3 功率級電晶體上功率級電晶體上功率級電晶體上、功率級電晶體上、、、下臂輸入量測下臂輸入量測下臂輸入量測下臂輸入量測

6.2.4 三相變頻器產生之相電壓三相變頻器產生之相電壓三相變頻器產生之相電壓三相變頻器產生之相電壓

相電壓為 32.4V，

6.2.5 無載六步方波無載六步方波無載六步方波(三相變頻器之線對線電壓無載六步方波三相變頻器之線對線電壓三相變頻器之線對線電壓三相變頻器之線對線電壓)

下圖 6-5 為三相變頻器產生之線對線電壓所量測的波形，其中

相電壓為 48V。因為訊號輸出有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。以週期推算出頻率：CH1 為 143HZ；CH2 為 143HZ；CH3 為 143HZ。

6.2.6 最大轉速之下的六步方波最大轉速之下的六步方波最大轉速之下的六步方波最大轉速之下的六步方波

命令加速至最大命令加速至最大命令加速至最大命令加速至最大：：：：

下圖 6-6 為調速手把命令值調至最大時，三相變頻器產生之線對線電壓所量測的波形，其中

相電壓為 48V。因為訊號輸出有雜訊干擾，導致示波器顯示不太正確。

6.3 結語結語結語結語

第七第七第七

3. 用人力踩的時候，經過升壓的功率轉換器使直流無刷馬達當成發電機使用，能有充電效果回充到電池，一方面也是響應環保節能的觀念。同時電動自行車也達到健身跟便利性的雙贏。

4. 由於目前電路設計在測試階段，所以分為五塊電路板，體積仍然龐大，因此待各項功能均成熟完備後，規劃將所有使用到電路板合在一起洗成正式的電路板。

)，若能改用弦式脈寬調變法則(

)，更能減少

參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

[6] 曾百由，”dspic 數位訊號控制器原理及應用”，宏友圖書有限公司，2006 年 10 月。