報告主題：馬達震出的微觀世界
Microcosm of The Motor’s Vibration Test
作者：林秉庠、李驊原、楊皓翔、施皓翔、莊定儒 系級：精密系統設計學士學位學程 二年級
學號：D0751010, D0785708, D0785712, D0751053, D0775276 授課老師：蔡鈺鼎 教授
課程名稱：精密測量
開課系所：精密系統設計學士學位學程
開課學年：108學年度 第一學期
摘要
在許多機器中都有馬達這個結構，而馬達長期運轉時可能會因為溫度、震 動與結構等因素產生一定的損耗，溫度過高會引起潤滑油因熱裂化；震動過大 容易造成內部設備磨損如螺絲鬆脫等危險；結構設計不良會造成馬達運轉不穩 固，以上的問題都有可能引響馬達的運轉壽命，本次測量以振動為主題去做後 續的探討。
關鍵字：分析、加速規、測量、程式碼、馬達、電池、運轉
Abstract
Motor is a structure that is commonly seen in a variety of machines.
However, it may cause certain losses due to factors such as temperature, vibration and structure when the motor is running for a long duration. The lubricant will be cracked possibly due to a certain increase in temperature, and if the vibration is destructive. It may cause internal equipment’s wear out, such as screws. It will also bring out dangers such as looseness, which means poor structural design will cause the motor run unstably. The above issues may influence the life of motor’s operation.
This measurement uses vibration as topic for subsequent discussions.
keyword：Analyze, Arduino, Battery, DC Motor, GY-521, Matlab, Measure, Motor, Plot, Vibration
目次：
構思與討論 ……… 4
探討 ……… 5
設備說明 ……… 5
測量項目 ……… 7
Arduino程式碼 ……… 7
Excel數據表格 ……… 9
Matlab程式 ……… 10
結果分析 ……… 13
最後總結 ……… 21
參考資料 ……… 22
想法構思與討論
討論過程
日期：2019/12/25 時間：15:00~18:00 地點：
逢甲大學人言大樓 主持：無 紀錄：李驊原
出席人員 施皓翔、李驊原、莊定儒、楊皓翔、林秉庠 列席人員 施皓翔、李驊原、莊定儒、楊皓翔、林秉庠
議題 決議事項
測量準備紀錄
1. 馬達、arduino坂與加速規GY-521已固定，並把線路連 接完成
2. GY-521的arduino板程式已完成
3. 進行馬達運轉測試，並用加速規GY-521測得數據 新增事項 1. 決定測量馬達運轉時的溫度變化，透過測得的結果來
探討馬達的損耗程度，並探討溫度檢測提醒的功能 2. 討論溫度測量的方式
臨時動議: 無 想法構思
日期：2019/12/21 時間：13:00~16:00 地點：
逢甲大學人言大樓 主持：無 紀錄：李驊原
出席人員 施皓翔、李驊原、莊定儒、楊皓翔、林秉庠 列席人員 施皓翔、李驊原、莊定儒、楊皓翔、林秉庠
議題 決議事項
設定本次主題
方案1：石英錶與機械錶 方案2：馬達
方案3：電動牙刷
方案4：超音波眼鏡清洗機 方案5：遙控車
◎最後決定為方案2，方案3、4為備用方案
最後結論 經由討論後以方案2為本次的測量主題，控制變因為選用相 同馬達、相同測試地點、相同測試溫度，超縱變因為使用 的電壓，應變變因為震動加速度。
臨時動議: 無
一、探討
由於測量馬達使用的電壓越高則轉速會越快，所以決定做兩次測試，並分 別使用不同電壓來測量各別的震動加速度，但也可能因為品牌不同或內部成分 不同等原因而有所改變，所以也選了三種不同品牌的9V電池來做測試。最後我 們決定以不同電壓同品牌與同電壓不同品牌為測量項目一與項目二，透過測得 的結果來探討馬達的損耗程度與如何改善此狀況。
二、設備說明
(一)GY-521加速規的說明
GY-521透過MPU6050來讀取加速度跟陀螺儀的值，MPU6050傳感器模塊是集 成的6軸運動跟踪設備，它具有3軸陀螺儀，3軸加速度計，數字運動處理器，
所 有 這 些 都 集 成 在 一 個IC中 。MPU-6000的 角 速 度 全 格 感 測 範 圍 為±250、
±500、±1000與±2000°/sec (dps)，可準確追緃快速與慢速動作。
可程式控制的加速器全格感測範圍為±2g、±4g、±8g與±16g。產品傳輸可透過 最高至400kHz的I2C或最高達20MHz的SPI。而本次測量使用的範圍為±2g。
(二)測量所使用的馬達
本次測量使用一款小型的DC 3~6V塑膠直流減速馬達，產品規格為電壓DC 3~6V，減速比1:48，採用雙軸結構，最大扭矩 800gf cm/min。
(三)測量方式
將GY-521加速規與Arduino板的線路安裝好，馬達固定在桌子的邊緣，並把GY- 521加速規固定在馬達正上方的平面上，最後將馬達電池座的線路連接後即可 開始測量。將馬達啟動後，便把Arduino程式啟動，讓測量數據可以透過傳輸線 直接把數據匯集。
由於本次測量使用的範圍設定為±2g，所以X、Y、Z軸的起始值各別為0、0、
16384。
(上圖為測試馬達構造原圖)
三、測量項目
本次的測量主題，控制變因為選用相同馬達、相同測試地點、相同測試溫度，
應變變因為震動加速度。
上圖表為電壓不同的測試(項目一)：
由於馬達使用的電壓越高則轉速會越快，所以我們決定做兩次的測試，並分別 使用不同電壓來測量各別的震動加速度，透過測得的結果來探討馬達的損耗程 度與如何改善此狀況。
上圖表為品牌不同的測試(項目二)：
由於馬達使用的電池材質不同，所以我們決定做兩次的測試，並分別使用不同 電池來測量各別的震動加速度，觀察是否會影響馬達的震動加速度。
四、Arduino程式碼
以下為測量時使用的Arduino程式碼
使用電壓 測量時間
第一次 使用3V 約3分鐘
第二次 使用9V 約3分鐘
項目一 次數
項目二
使用品牌 測量時間
第一次 Duracell 約1分鐘
第二次 Energizer 約1分鐘 第三次 Panasonic 約1分鐘 次數
五、Excel數據表格
(一)項目一的數據表格
以下是電壓為3V測量時的數據
以下是電壓為9V測量時的數據
(二)項目二的數據表格
以下是品牌為Duracell的9V電池測量時的數據
以下是品牌為Energizer的9V電池測量時的數據
以下是品牌為Panasonic的9V電池測量時的數據
(三)調整數值
由於本次測量使用的範圍設定為±2g，所以X、Y、Z軸的起始值各別為0、0、
16384，所以分析時把Z軸的差值先扣回以便觀察兩者加速度的比較。若要換算 成加速度的實際數值，可以透過此公式轉換帶出結果。因為當前設定的加速度 倍率為2g，讀數換算為加速度的公式為：a = 2g*顯示數值/16384，g可取當地 重力加速度，即可取得實際加速度。
六、Matlab程式
(一)項目一為不同電壓同品牌
以下是分析X軸時使用的Matlab程式碼
以下是分析Y軸時使用的Matlab程式碼
以下是分析Z軸時使用的Matlab程式碼
七、結果分析
(一)項目一的圖表分析
以下是3V與9V的X、Y、Z軸加速度比較
圖表一為經驗分布函數圖，該圖可以從中看出所有數據的分布的狀況，並比較 兩次測量的分布範圍。
圖表中橘色為3V的數據曲線，綠色為9V的數據曲線，可以看出3V的數據曲線 分布範圍較9V的分布範圍小，所以代表在馬達運轉時電壓用3V比用9V更穩 定，震動加速度值較小，運作較為穩定。
圖表二如同圖表一一樣可以看出所有數據的分布的狀況，但它可以更明顯的展 示出數據中的漲幅程度。
圖表中橘色為3V的數據曲線，藍色為9V的數據曲線，可以觀察到3V的X軸數值 有小幅的增加。9V的Z軸數值曲線在第1200-1400筆數據區間內有異常的極高 值，可能為當時人為因素所產生的誤差，例如碰撞到測量儀器等。9V的數值曲 線在第1600-1800筆中有異常的空缺，若確定無任何外在因素影響的狀況下，
表示當時可能有供電不穩定的情形發生。
圖表三為分位圖，是一種通過比較兩個機率分布的分位數對這兩個機率分布進 行比較的機率圖方法，該圖可粗略檢視資料是否為常態分配，而紅色虛線為虛 擬的常態線，當數據符合常態分配時，數據點大致會分佈在虛擬的常態線附 近。
圖表四為箱形圖，是一種用作顯示一組數據分散情況資料的統計圖，它能顯示 出數據的最大值、最小值、中位數、及上下四分位數。而圖表中有一些不在範 圍內且超出極多的數值為極端值，超出但仍接近於最大值與最小值的數值為離 群值。
離群點是與其他觀察值有顯著差異的數據點，圖中的紅點即為離群值，可能是 由於測量的可變性，或者可能表示實驗錯誤，若是因實驗錯誤而產生時，會從 數據集中排除以免影響統計結果。
(二)項目二的圖表分析
以下是Duracell、Energizer、Panasonic的X、Y、Z軸加速度比較
圖表一可以看出所有數據的分布的狀況，圖表中藍色為Duracell的數據曲線，
橘 色 為Energizer的 數 據 曲 線 ， 黃 色 為Panasonic的 數 據 曲 線 ， 以 看 出 Panasonic的數據曲線幅度最小，Duracell的數據曲線幅度最大，所以代表在馬 達運轉時用Panasonic最穩定，而用Duracell最不穩定。
圖表二為箱形圖，是一種用作顯示一組數據分散情況資料的統計圖，它能顯示 出數據的最大值、最小值、中位數、及上下四分位數。而圖表中有一些不在範 圍內且超出極多的數值為極端值，超出但仍接近於最大值與最小值的數值為離 群值。
離群點是與其他觀察值有顯著差異的數據點，圖中的紅點即為離群值，可能是 由於測量的可變性，或者可能表示實驗錯誤，若是因實驗錯誤而產生時，會從 數據集中排除以免影響統計結果。
八、最後總結
(一)項目一的測量結果
經由以上的測量與分析結果，可以觀察到使用的電壓越高，所產生的振動加速 度值也相對較高，代表項目一的測量結果為馬達使用的電壓越高則穩定性越 低。
(二)項目二的測量結果
經由以上的測量與分析結果，若使用相同的電壓，可以觀察到使用Panasonic 的振動加速度值相對其它品牌而言數值較低，若選用Panasonic的電池，其穩 定性較另外兩種高，代表項目二的測量結果為馬達使用Panasonic的電池則穩
九、參考資料
Sizemore, Jim and Mueller, John. Matlab For Dummies. Hoboken, New Jersey, USA: John Wiley & Sons Inc, 2014
Nussey, John. Arduino For Dummies. Hoboken, New Jersey, USA: John Wiley
& Sons Inc, 2013
