1亞東技術學院電機工程系 *通訊作者：王惠玲 E-mail：fe008@mail.oit.edu.tw
電力電子乙級技能檢定術科電路測試系統研製
王惠玲
1,*摘要
技職教育重視實務能力，在課程安排方面和一 般大學不盡相同，另外證照培訓輔導亦是重要的一 環，藉由參加勞委會職訓局舉辦的技能檢定就是一 個檢驗實作能力的重要參考指標。在輔導過程中， 除了有系統的提供相關專業知識之外，亦可培養學 生就業所需的實用性技能和態度，使之具備良好的 就業能力。電機系目前已成立電力電子檢定實驗 室，並正式成為勞委會電力電子乙級技能檢定之術 科測試場地，每年開設電力電子檢定實務之選修課 程，輔導修課同學參加電力電子乙級技能檢定證照 考試。在訓練過程中，發現學生對於電路原理的理 解與除錯能力尚嫌不足，本研究將以電力電子乙級 技術士技能檢定之術科試題內容為基礎，進行相關 電路的測試系統開發。 本研究實施後，已利用 LabVIEW 圖控語言配 合 NI 資料擷取卡與電壓差動探棒研製電力電子乙 級技能檢定術科電路測試系統，此系統可協助學生 更瞭解電力電子乙級技能檢定之術科電路原理，並 提升應檢學生之硬體除錯能力與技巧。完成之目標 如下:(1)記錄應檢學生進行術科電路測試的記錄， 包括開始時間、離開時間、檢測之術科電路模組與 測試結果。(2)協助應檢學生複習電力電子技能檢 定術科測試電路之功能說明與動作要求。(3)選擇 製作電路板中之部分電路和測試點，可進行小範圍 電路測試。(4)可同時觀看各個測試點正確之理論 波形和電路板之實測波形，若出現錯誤，則可有效 縮短偵錯時間。(5)利用 LabVIEW 將學生之學號與 測試資料儲存於 EXCEL 檔案中，輔導老師可隨時 掌握練習進度。(6)99 學年度輔導 64 位學生參加電 力電子乙級技術士技能檢定，其中有 47 位取得證 照；100 學年度輔導 89 位學生參加電力電子乙級 技術士技能檢定，其中有 78 位取得證照。 關鍵詞：電力電子乙級技能檢定、LabVIEW 圖控 語言、術科電路測試系統、硬體除錯能力壹、 前言
包含電力、電子和控制三個要素的電力電子 是一項綜合性技術，廣泛應用於各種產品中，例如: 空調、照明、個人電腦、遊樂器、電池充電器、捷 運、通訊供電器等，係與日常生活關係密切的科 技。近年因石化燃料逐漸減少，使得綠色能源議題 躍升為全球關注問題，亦凸顯電力電子實用領域之 重要性。 有鑑於證照在技職教育中的重要性，技職體系 各校無不全力推動教學實務化，紛紛透過辦理專案 技術士技能檢定、修正入學考試相關辦法及專案研 究，鼓勵學生積極取得證照，以落實技能教學，有 些學校更將取得證照列為畢業門檻。根據技職司統 計 91~96 學年度上學期(2002 年 8 月至 2008 年 1 月)技專院校在校學生共取得 300,019 張專業證 照，可見透過教學和輔導協助學生通過證照測驗已 形成一股銳不可擋之風潮。 電機系在發展特色之際，希望能夠在學術理論 之外，同時培養學生擁有產業界所需之實作技能，故規劃成立相關實驗室、開設選修課程、進行檢定 集訓，並鼓勵學生參加勞委會職訓局舉辦的技能檢 定，包含工業電子丙級和電力電子乙級技術士檢 定。目前於 96~100 學年度輔導學生參加技術士檢 定，其中共有 401 位通過工業電子丙級考試，210 位通過電力電子乙級考試，1 位通過儀表電子乙級 考試，共取得證照 612 張，結果顯示已具成效。在 各項訓練活動過程中，發現學生對於電路原理的理 解與除錯能力須再加強，因此本研究將針對電力電 子乙級技能檢定術科電路研製其測試系統，希望協 助學生更加瞭解電力電子乙級技能檢定術科電路 原理，提升硬體除錯能力與技巧，增強在參加證照 考試時應對各種可能發生問題的實務能力。
貳、系統架構
電力電子技術士技能檢定中，術科考題共有 4 題，分別是步進馬達控制器、直流馬達控制器、直 流電動機單象限截波驅動器和中功率低壓直流線 性電源供給器。以下將分別說明各試題重點和電力 電子乙級技能檢定術科測試系統之系統架構。 一、 步進馬達控制器 步進馬達控制器之功能說明如下：步進馬達 的位置命令由按鈕產生，按一次走一步，每步有 1.8 度，是全步式開路式控制。驅動線路採用 L/R 驅動方式，利用步進馬達線圈內阻作限流電阻。同 時會有兩線圈導通，每個線圈以不超過 0.75 安培 為原則，另有保險絲做過負載保護。其測試重點系 統包含(1)步進馬達控制原理、(
2)2 相激磁原理、(3) 轉向選擇和步進角輸入、(4)控制電路、(5)驅動和 顯示電路。此試題之電路包含(1)交流電源電路、(2) 轉向開關、(3)步進角按鈕(4)控制電路(5)驅動電路 (6)負載(步進馬達)(7)整流電路(24V)等七部份;控 制電路接受步進角輸入和轉向信號，產生激磁信 號，進而控制步進馬達轉動方向和位置，同時具有 顯示之功能，共分為(1)整流電路(5V)、(2)轉向選 擇電路、(3)步進角輸入和彈跳消除電路、(4)激磁 信號產生電路、(5)緩衝電路和(6)顯示電路等六部 分。
二、 直流馬達控制器 直流馬達控制器之功能說明如下：本試題為直 流馬達(DC Motor)之控制電路。馬達磁場部份加固 定電壓;電樞部份則利用 SCR 相位控制原理，可改 變直流電壓，使馬達之轉速得以控制。此線路含電 壓及電流回授(Feedback)，可供應穩定之可變直流 電壓，並限制輸出電流。其測試重點系統包含(1) 直流馬達之轉速控制、(2)樞控法應用、(3)單相半 控轉換器電路、(4)SCR 相位控制原理、(5)負載模 擬電路。此試題之電路包含(1)控制電路、(2)電源 電路、(3)主電路(即轉換器)和(4)負載等四部份;控 制電路的目標為產生可調整寬度之脈波來控制開 關(閘流體，本試題使用矽控整流器，簡稱 SCR) 的 觸 發 角 ， 以 達 脈 波 寬 度 調 變 (Pulse-Width Modulation，簡稱 PWM)之功效，共分為(1)零點偵 測電路、(2)鋸齒波產生電路、(3)直流電壓電路、 (4)比較器和(5)觸發信號輸出電路等五部分。 三、 直流電動機單象限截波驅動器 直流電動機單象限截波驅動器之功能說明如 下：利用單象限截波器來控制直流電動機的電樞電 壓，藉以進行速度控制。其中之功率電晶體，係利 用脈波寬度調變(PWM)方式控制其導通時間，以調 變責任週期(duty cycle)，截波頻率為 1KHz，同時 使用光耦合器(photo coupler)當作控制電路和截波 器電路間之隔離元件。其測試重點包含(1)直流馬 達之轉速控制、(2)樞控法應用、(3)PWM 控制原 理、(4)截波驅動器原理和(5)功率電晶體責任週期 調整。此試題之電路包含(1)控制電路、(2)電源電 路、(3)主電路(即直流截波器)、(4)隔離電路、和(5) 負載(直流馬達)等五部份;控制電路的目標為產生 可調整寬度之脈波來控制開關的責任週期，以達脈 波寬度調變之功效，共分為(1)三角波產生器(包含 方波產生器和積分器)、(2)反相放大器、(3)直流電壓電路、和(4)比較器四部分。 四、 中功率低壓直流線性電源供給器 中功率低壓直流線性電源供給器之功能說明 如下：本試題先將交流三相220V經變壓器降壓為 25V後加以整流濾波成直流電源，經由電源調整電 路後得到一個可調範圍約3V~28V的直流電源輸 出，輸出電流範圍為0~2.5A，限流範圍約為1.2A 至2.4A，可做蓄電池充電器及一般維修用直流電源 供應器。其測試重點包含(1)線性電源供應器原 理、(2)三相橋式整流器、(3)回授和限流調整、(4) 功率電晶體基極控制、(5)電壓調整率計算。此試 題之電路包含(1)輸入(交流電)與變壓器、(2)整流 器 、 (3) 功 率 電 晶 體 (Power Bipolar Junction Transistor)電路、(4)基極控制電路、(5)回授和限流 電路與(6)輸出(直流電)等六部份。 五、 整體之系統架構 本研究首先完成電力電子乙級技能檢定術科 測試系統研製之架構，系統架構如圖 1 所示，利用 桌上型電腦、資料擷取卡、訊號處理介面和差動探 棒等硬體設備建立本系統所需之環境，將待測模組 (即電力電子技能檢定術科電路板)的訊號回傳至 電腦當中進行後續控制。 圖 1 電力電子乙級技能檢定術科測試系統架構圖 接著使用 LabVIEW 軟體撰寫系統之人機操作 介面、四個電力電子乙級技能檢定術科題目的功能 選擇項目，包含整體電路、實作電路板、功能說明、 動作要求、模組實測、波形量測等內容，本系統將 以動作理論配合實際量測訊號，進行資料比對的動 作，確認電路錯誤的位置，以利使用者縮小偵錯範 圍和縮短偵錯時間，協助應檢同學深入瞭解電力電 子乙級技能檢定術科電路設計原理並學習除錯技 巧，以訓練學生硬體量測與除錯的能力，提高參加 電力電子乙級技能檢定的通過率。並且使用羅技的 網路攝影機，拍攝學員機器使用的狀況，記錄資料 可知使用者進行實測的時間、過程和結果。
參、實體製作
本 系 統 之 實 體 如 圖 2 所 示 ， PC 端 使 用 LabVIEW 圖控語言建構系統人機介面，主要硬體 部份是透過 USB 介面連接 NI 資料擷取卡，再透過 電壓差動探棒擷取電力電子乙級技能檢定術科電 路的待測訊號，此部份硬體主要是模擬示波器的功 能，將測試點訊號波形與正確的訊號波形、除錯訊 息同時顯示在螢幕上，主要目的是訓練學生如何利 用示波器快速發現錯誤並排除錯誤。另外還透過 USB 介面連接和網路攝影機(USB Webcam)來擷取 使用者照片並儲存於檔案中，儲存的檔案依學號與 時間命名，內容包含使用本系統的開始時間、結束 時間和電路測試結果等資訊，以利指導老師瞭解學 生之練習狀態。 圖 2 電力電子乙級技能檢定術科測試系統實體圖 本系統硬體架構主要的考量為待測訊號的頻率與電壓峰值，電力電子乙級技能檢定四個術科電 路中，待測訊號的最高頻率為 1KHZ，係出現在第 三題直流電動機單象限截波驅動器之 PWM 控制 訊號，依照 Nyquist 定理說明--取樣頻率至少要高 於欲擷取訊號之最高頻率的兩倍以上，因此資料擷 取卡的取樣頻率必須超過 2KHz 以上，最好是十倍 以上；而待測訊號電壓峰值的最高數值為 380V， 因為第二題直流馬達控制器與第四題中功率低壓 直流線性電源供給器測試機台之交流輸入電壓有 效值為 220V，而一般的資料擷取卡取樣峰值約只 有 15V，因此必須利用差動電壓探棒將待測電壓降 壓並進行隔離保護。本系統使用的資料擷取卡為 NI USB-6218、差動電壓探棒為 DP-25 以因應上述 論述。 傳統的電路偵錯經常 使用示波器 和三用電 表，但花費時間長且效果不佳，為了改善此項缺 點，本研究改用 LabVIEW 軟體來設計電力電子乙 級技能檢定術科電路測試系統以協助 檢測電路 板，系統之軟體流程圖如圖 3 所示。 開始 結束 選取EXCEL檔案 選擇量測點? 1 記錄當時影像 輸入學號? 選擇’進入拍照’? 選擇’開始拍照’? 選擇’進入目錄’? 顯示硬體設備 是 否 啟動網路攝影機 是 是 是 顯示電路圖 主目錄畫面 選擇測試電路? 點取’測量’? 顯示功能說明與動作要求 點取’ 流程圖’? 點取’目錄’? 是 顯示系統架構圖 是 是 否 是 否 是 否 2 否 進行測量 確定電路故障區域 結束本題測試? 電路故障? 否 否 否 否 是 否 否 2 記錄成功或失敗 返回主目錄 是 是 是 否 是 否 3 儲存時間 否 選擇’測量停止’? 啟動網路攝影機 選擇’結束照片’? 記錄當時影像 選擇’儲存時間’? 3 選擇’結束程式’? 是 1 否 否 結束測試 圖 3 電力電子乙級技能檢定術科測試系統之軟體 流程圖
肆、成果貢獻
以下將進行本系統的人機介面說明。 一、 進入系統主畫面，選取所使用的檔案格式，開 啟將儲存的檔案格式，畫面如圖 4 所示，檔案 格式預設為授課教師記錄之 EXCEL 檔案，內 容為當學期選修課程之學生名單。在空白方格 內輸入使用者學號之畫面如圖 5 所示，並且按 下「進入拍照」，此時系統會開啟網路攝影機， 進行拍照的功能，拍攝當時學員使用本系統的 狀況，並記錄學號及時間之畫面，如圖 6 所 示。同時系統會產生兩個檔案，一個是使用者 個人相片檔，以學號與電腦系統時間為主檔 名，另外一個是使用者文字檔，以學號為主檔 名，將記錄該使用者使用本系統的所有資料， 包括每次使用的開始時間、離開時間與測試電 路名稱。拍攝使用狀況後，即可準備進入目錄 選取電力電子乙級技能檢定四題術科電路，實 際進入本系統進行量測。 圖 4 系統主畫面圖 5 輸入使用者學號之畫面 圖 6 開始拍照並記錄當時影像之畫面 二、 按「進入目錄」並點取流程圖，將出現如圖 7 之系統架構說明畫面，此畫面說明電力電子乙 級技能檢定術科測試系統架構圖，包含所使用 之 LabVIEW 圖控語言、NI 資料擷取卡、網路 攝影機與電壓差動探棒等軟、硬體設備，使用 者亦可由此架構說明畫面瞭解信號之輸入和 輸出流程。 圖 7 系統架構說明畫面 三、 按「目錄」後進入術科測試試題選擇畫面如圖 8，包括第一題步進馬達控制器、第二題直流 馬達控制器、第三題直流電動機單象限截波驅 動器與第四題中功率低壓直流線性電源供給 器，使用者可自行選擇適當之術科測試試題進 行測試。 圖 8 術科測試試題選擇畫面 四、 選擇測試試題目後，進入該題線路功能說明與 動作要求畫面，如圖 9 所示，使用者在測試之 前可先複習本試題之重點，例如:功能說明、 動作要求等…會顯示於畫面右側，複習完畢後 再進行實際量測，圖 9 係以第三題為例顯示的 畫面。
圖 9 第三題的功能說明與動作要求畫面 五、 選擇「測量」後，進入如圖 10 所示之畫面， 使用者選擇製作電路板中之部分電路和圖中 箭頭所指之各個測試點後，進行量測。使用者 亦可在測試前選擇控制方塊圖，先行複習欲測 試電路之對應方塊圖，畫面如圖 11 所示。 圖 10 量測點主畫面 圖 11 選擇控制方塊圖之畫面 若在圖 10 中選擇測試點則可觀看各個測試點 之正確波形，此時差動探棒須接至相對應測量點。 首先建議使用者選擇量測 Vin 和 Vo1 的電壓，由於 這兩點的電壓分別代表第一個運算放大器之輸入 和輸出電壓，因此先確定 Vin 和 Vo1 的電壓值是否 正常，以供後續的電路正常運作。點擊 Vin 和 Vo1 的按鈕時，將會彈跳出圖 12 右上方的畫面，而下 方記錄著正確的 Vin 和 Vo1 的電壓值以及波形，而 上半部則是利用待測模組和差動探棒連結資料擷 取卡所截取到的波形，如果覺得波形的訊號跳動太 快以至不方便記錄時，使用者可以按下最右方的執 行/停止的按鈕鍵，即可將當下的波形停止動作， 定格下來以方便觀察，同時我們也會將 Vin 和 Vo1 的相關數據顯示在擷取到波形的右方，以方便使用 者在偵錯電路時的資料比對。 圖 12 所示，圖中右側下方為正確之理論波 形，右側上方為電路板實測之波形，兩者相同表示 此部份電路正確無誤，若實測波形不符合理論波 形，表示此部份電路在製作時出現錯誤，則需進行 偵錯。假如使用者發現 Vin 和 Vo1 的波形和電壓值 數據有錯誤時，我們可以點擊電路圖下方顯示控制 方塊圖的按鈕，此時將會彈跳出方波產生器的控制 電路圖，而此電路圖的下方也會附有相關電路的說 明和資料，因此可以藉由控制電路圖，來找出波形 和電壓值數據錯誤的地方，並且成功的縮短了需要
偵錯範圍的大小。 圖 12 直流電動機單象限截波驅動器: Vin、Vo1 量 測 同理，使用者可逐步選擇不同測試點進行如上 述之量測，依上述步驟當完成該題測試時，使用者 可以點擊電路圖下方顯示成功與失敗的按鈕，系統 會彈出一塊可供選擇的成功或失敗的按鈕，點擊後 程式將會記錄使用者所點擊的選項，並且回傳至 EXCEL 當中進行記錄，授課老師可由此檔案瞭解 選修課程同學的練習狀況，做為輔導之依據，程式 執行畫面結果如圖 13 所示。 圖 13 記錄測試成功或失敗之畫面 本題測試結束後，可返回選擇「返回目錄」， 回到術科測試試題選擇畫面，可選擇另外的試題測 試電路，以上述步驟進行偵錯。若欲離開本測試系 統則選擇「測量停止」，系統會再度啟動網路攝影 機，畫面如圖 14 所示。在使用者按下「結束拍照」 後擷取目前視訊畫面，並記錄當時影像，畫面如圖 15 所示。若按下「儲存時間」後就可將結束測試 的時間儲存，按下「結束程式」則將進行中的程式 結束，即離開本測試系統。 圖 14 離開測試系統之選擇畫面 圖 15 結束拍照之選擇畫面
完成電路測試後，本系統利用 LabVIEW 程式 會將學生之學號與測試資料儲存於 EXCEL 檔案 中，完成之記錄結果如圖 16 所示，輔導老師可隨 時掌握修課學生練習術科電路之進度和狀態。 圖 16 EXCEL 檔案之記錄結果 本測試系統可協助學生進行區塊性、小範圍之 電路偵測，如此在練習術科電路時可迅速發現錯誤 ，縮短偵錯時間；同時提供輔導老師充分資訊，即 時掌握練習進度、調整輔導策略。
伍、結論
本研究以理論與實務相互配合，進行務實的 分析方法，利用 LabVIEW 圖控語言配合 NI 資料 擷取卡與電壓差動探棒研製電力電子乙級技能檢 定硬體量測與教學除錯系統，此系統可協助學生更 瞭解電力電子乙級技能檢定之術科電路原理，並提 升應檢學生之硬體除錯能力與技巧。本研究實施後 完成之目標如下:(1)記錄應檢學生使用本系統的所 有記錄，包括開始時間、離開時間、檢測之電路與 測試結果。指導老師可由此記錄瞭解掌握每個應檢 學生練習的狀態。(2)協助應檢學生複習電力電子 技能檢定術科測試電路之功能說明與動作要求，此 項功能可以增強應檢學生之理論基礎。(3)選擇製 作電路板中之部分電路和測試點，可先進行小範圍 電路測試。(4)可同時觀看各個測試點正確之理論 波形和電路板之實測波形，若出現錯誤，則可進行 小區域電路偵錯。(5)研究執行期間輔導電機系學 生參加技術士技能檢定，在學期中利用課餘時間舉 行學科和術科集訓，輔導人次如表 1 所示，其中 991 和 1001 學期之學科集訓分別為 10 次和 8 次， 每次集訓 1 小時；術科集訓皆為 9 次，每次集訓 6 小時。成果如表 2 所示，其中 99 學年度輔導 64 位學生參加電力電子乙級技術士技能檢定，其中有 47 位取得證照；100 學年度輔導 89 位學生參加電 力電子乙級技術士技能檢定，其中有 78 位取得證 照，通過率由 73.44%增加至 87.64%；以上成果顯 示實施本研究對於輔導同學參加電力電子乙級技 術士技能檢定之成效良好。除此之外，本研究引進 LabVIEW 圖控語言配合便宜的 USB Webcam，運 用到影像辨識上，大幅降低開發本系統影像辨識的 成本，且節省大量的開發時間。同時將研究之成果 轉換為教學內容，製作教案應用到「電力電子檢定 實務」課程中；同時本研究進行過程中，研發出「電 力電子技能檢定硬體量測與教學除錯系統實務」專 利，已申請通過。 表 1 電力電子乙級技能檢定輔導表 學期 學科集訓輔導 (人次) 術科集訓輔導 (人次) 合計 (人次) 991 401 385 786 1001 689 542 1231 表 2 電力電子乙級技能檢定成果 學期 輔導人數 證照數 通過率 991 64 人 47 人 73.44% 1001 89 人 78 人 87.64%參考文獻
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