本单元课程训练目标在於藉由电脑辅助电路模拟并动手制作简单且安全的-...

1、一、 前言本單元課程訓練目標在於藉由電腦輔助電路模擬並動手製作簡單且安全的小型的電動機控制，使學生明瞭電動機控制所需各領域彼此的關係。這種訓練除了讓學生有按步引導親自參與的學習成就感外且灌輸工業界實務設計之重要基本概念；亦即實務設計評估工作由適當的軟體模擬優先硬體模擬。本課程實際上是電機領域中諸多學門之綜合體；也就是說，它是一門實務應用課程。它與其他課程相同為達到學習的成效，必須事先修習一些相關課程做為基礎，如電子學、電路 學、電力電子學、數位邏輯、電機機械、自動控制、單晶片、感測元件、電路模擬分析等課程，彼此關係如圖1所示。電子學電路學感測元件電力電子學電路模擬分析電動機控制實習數位邏輯自動控制電機機械 圖1 電動機控制實習與各學門之關連性至於課程實驗對象選擇PWM方法來控制直流馬達的速度，並分別進行軟體模擬分析與硬體製作量測。它的系統方塊圖，如圖2所示。讓學習者在進行實驗前，明瞭每部份方塊圖之基本動作後，以便課程的訓練目標能順利達成。我們針對每部份方塊圖做觀念的陳述如下：直流能源速度設定機構驅動器伺服馬達設定速度圖2直流伺服馬達速度控制系統之方塊圖（一）設定速度：期望伺服馬達運轉的

2、速度，也就是說，依據應用目的加以設定。（二）設定機構：將設定速度轉換成實際運作能接受之物理量。例如系統中設定轉速rpm轉成相對的電壓訊號。（三）驅動器：將所需的適當的能量透過它能傳遞給設備。（四）直流能源：提供設備所需能量的形式與能量的來源。（五）伺服馬達：設備的型式。二、實驗工具古人有云：工欲善其事，必先利其器，因此實驗課程所用的工具瞭解程度相當重要。從實驗課程的項目分成兩大部份：軟體模擬方式與硬體實作方式知道，完成它們所需的基本工具如下說明：（一） 軟體模擬方式：選定模擬軟體並學會需要操作部份，本系統軟體採用美國Intusoft 公司所發展的ICAP/4系統，它包含四個主軟體1. SpiceNet電路圖輸入軟體。2. PreSpice模型資料庫軟體。3. IsSpice電路模擬軟體。4. IntuScope波形分析與處理軟體。它的處理方式可彈性應用交談的模擬方式，使應用者對不滿意的現狀加以改變。再談到軟體在課程運用的層面上做部份做簡要的說明：（1） 電路圖編撰：利用SpiceNet軟體直接引用內建的元件資料庫繪製電路圖，它的動作如下：a.進入SpiceNet系統。 指令動作： 開

3、始 程式集（P） ICAP-4Rx Start ICAPS 按左鍵一下。 顯示畫面：圖3進入SpiceNet系統的圖形b.繪製電路圖： 指令動作： 將滑鼠選定電路元件欲擺設的位置按左鍵一下 選取SpiceNet Parts 【選取所需元件】 按左鍵一下 完成一元件選取 依元件選取方式完成整個電路。顯示畫面：圖4 選取一元件步驟1圖5 選取一元件步驟2圖6 選取一元件步驟3完整電路繪製結果：圖7 完整電路的繪圖練習：利用SpiceNet軟體繪製電路圖。問題討論：實習中遇那些問題？（2） 元件參數設定：將滑鼠移至在繪製電路圖上，指令動作：選擇要設定參數的元件 按連續左鍵二下 進入元件參數內容 移至元件設定參數值位置更改參數 OK顯示畫面：圖8 進入元件參數內容練習：利用SpiceNet軟體繪製電路圖，設定下列參數如圖所示。（3） 電路模擬分析設定： 指令動作： 選取SpiceNet Actions Simulation Setup Edit 分析選擇項目（如Transient）設定模擬參數 Done 顯示圖形：圖9 進入Simulation Setup畫面圖10 進入Edit畫面圖11 進

4、入分析選擇項目畫面圖12 進入設定模擬參數畫面練習：繼續上題，設定 Data Step Time=20us Total Analysis Time =30ms Time Start Recording Data=25m問題討論：說明其他分析方式之用途？（4） 觀測訊號選擇分析： 指令動作：選取SpiceNet Actions Simulation 按滑鼠左鍵一下顯示圖形：圖13（a） 進行分析執行動作圖13（b） 完成分析執行動作指令動作：選取Ispice4 Actions Scope 按滑鼠左鍵一下 顯示圖形：圖14 選擇觀測分析圖15 進入觀測分析畫面指令動作：選取IntuScope Waveforms 選取波形 按滑鼠左鍵一下 顯示圖形：圖16（a） 選擇觀測訊號畫面圖16（b） 顯示選取觀測訊號畫面（5） 做報告印出圖形方式：指令動作：選取IntuScope File Print 按滑鼠左鍵一下顯示圖形：圖17 選取印出圖形畫面圖18 顯示整頁圖形畫面圖19 顯示實際圖形畫面圖形貼於Microsoft Word 剪貼簿中：指令動作：Copy to Clipboard Done（

5、二） 硬體實作方式：想要順利建構任何系統，它的基本原則是將系統細分數個小系統並協定小系統的規格，再個別進行測試並連接完成的部份。若要對細分的小系統單獨能順利完成測試，則所需測試設備要加以選擇。我們期望能藉此機會訓練學習者具備有此觀念且按部就班完成這方式。針對課程舉例的控制直流伺服馬達速度系統做範例說明，並提供可依循的步驟參考：（1）將系統分成幾個小系統：課程製作的控制直流伺服馬達之速度，它的系統分成四大部份，分別為1.電源電路系統2.三角波產生電路系統3.控制比較電路系統4.驅動電路系統。（2）列出每個小系統的功能：控制直流伺服馬達之速度的系統每個小系統的功能說明如下：1. 電源電路系統：提供電路的電源（電壓規格：5V,+12V與-12V；電流規格：數豪安培）與設備的電源（電源規格：24V；電流規格：1.5安培以內）。2. 三角波產生電路系統：提供PWM訊號三角波訊號的來源訊號。期望PWM訊號頻率的規格：500Hz且工作週期可調整，因此三角波之規格：（A）訊號頻率的規格：500Hz（B）振幅的規格：+10V-10V。3. 控制比較電路系統：提供產生PWM訊號的另一來源訊號為直流參考電壓

6、，它的規格為+10V-10V且輸出之PWM訊號的規格：（A）振幅05V（B）訊號頻率的規格：500Hz（C）工作週期可改變。4. 驅動電路系統：利用PWM訊號來驅動開關來控制直流伺服馬達之速度在03200RPM。 （3）畫出小系統彼此輸入與輸出相連性：三角波產生電路系統控制比較電路系統驅動電路系統直流伺服馬達電源電路系統轉速設定機構轉速設定實際轉速設定速度圖20 PWM方法控制直流伺服馬達之方塊圖（4）列出所需儀器：系統所需儀器與工具有儀器部份：1. 電源供應器：一部。2. 訊號產生器：一部。3. 示波器：一部。 工具部份：1. 麵包板。2. 撥線鉗。（5）認識元件接角且在電路圖標示元件接角號碼並完成電路的接線。（6）檢查接線確定無誤，用儀表檢查小系統是否短路。（7）若短路，再檢查線路。 （8）若無，以軟體模擬所得調整參數值並加入電源訊號進行測試與做參數微調，以符合協定規格。（8）再對符合規格部份進行連接整合並做細部修改。（9）待系統結合成成，再對成品做包裝與修飾。三、實驗設計使用PWM方法來控制直流伺服馬達之速度的課程，它的系統架構可分四大部份，分別為（一）電源電路系統（二）三角波產

7、生電路系統（三）控制比較電路系統（四）驅動電路系統，如圖21所示。圖21顯示各部份相連性。對於每部份電路之軟體與硬體實驗課程設計如下：三角波產生電路系統控制比較電路系統驅動電路系統直流伺服馬達轉速設定機構電源電路系統實際轉速轉速設定設定速度圖圖21 PWM方法控制直流伺服馬達之方塊圖實驗一 電源電路系統 一、實驗目的1. 明瞭電源電路之動作原理。2. 明瞭電源電路之特性。 二、實驗原理：控制直流馬達的速度的系統中所需電源主要可分電子電路與直流電動機二大部份，其中電子電路所需電源規格5V、12V且電流在數mA，至於直流電動機之電源規格30V以內且電流幾安培內。它們的電路基本架構圖，如圖22所示。從圖22來說明電源電路系統的動作原理，它的陳述如下：橋氏電路穩壓電路或IC變壓器 圖22 直流電源電路基本架構圖對於電源來源的選擇必須設備所處環境，我們選取平時在實驗室或普通教室易獲取的電源，它的規格為110V、60Hz交流電壓當成電源訊號並透過變壓器（必須能夠承受能量傳遞）轉換成高於系統所需交流電源，並透過橋氏全波整流電路，將交流電壓訊號整成直流電壓訊號，但此電壓訊號具有相當大的漣波因數不適合當

8、電源訊號，因此加入適當的電容器處理。再配合適當的穩壓電路或選用適當的穩壓IC（依需求選用相關產品，參考公司提供的資料），獲取適合系統所需電源。對於穩壓IC我們做基本介紹：一般而言，市面上的穩壓IC提供有正或負輸出，固定或可調整電壓等多樣產品。（一）固定的穩壓IC：固定的穩壓IC可提供有多種正或負輸出，其中三端子元件，固定的穩壓IC正輸出電壓則以7800系列的穩壓IC最具代表性，然而負輸出電壓則以7900系列的穩壓IC最具代表性，它們的規格如表1所示。它們的三個端子分別為輸入、輸出與接地，如圖22中的的穩壓IC（將ADJUST改成GND）。至於穩壓IC的電壓與電流規格呢？電壓規格，從表中規納知道常用元件編號的最後二個數目指定輸出電壓規格。再說到電流規格，從廠商資料可整理出：78L00系列輸出電流約為100mA，78M00系列輸出電流約為500mA，78T00系列輸出電流約為3A，若加上適當的散熱片可增大提供的輸出電流。對於7900系列的電壓與電流規格與7800系列幾乎是一致，不再說明。表1（a）固定的穩壓IC正輸出電壓型 號輸 出 電 壓78055.0V78066.0V78088.0V78099.0V781212.0V781515.0V781818.0V782424.0V（二）可調整的穩壓IC：LM317為可調整的正輸出電壓代表性元件。此元件詳細規格可查廠商提供的元

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