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自動控制工程學系專題製作自動控制工程學系專題製作自動控制工程學系專題製作自動控制工程學系專題製作

專專專專 題題題題 論論論論 文文文文

馬達轉速控制馬達轉速控制馬達轉速控制馬達轉速控制

DC Motor Speed Control DesignDC Motor Speed Control DesignDC Motor Speed Control DesignDC Motor Speed Control Design

指導教授指導教授指導教授指導教授：：：：蘇文彬蘇文彬蘇文彬蘇文彬

學學學學 生生生生：：：：蘇皇墀蘇皇墀蘇皇墀蘇皇墀

陳韋陳韋陳韋陳韋榤榤榤榤

中 華 民 國 九 十中 華 民 國 九 十中 華 民 國 九 十中 華 民 國 九 十 五五五五 年年年年 元元元元 月月月月

ii

iii

感感感感 謝謝謝謝

在自控系專題製作期間，衷心感謝指導教授蘇文彬老師在學業及待人處世上

的悉心指導和教誨，致使學生獲益良多，師恩浩蕩，永存於心。在學期間所學的

知識，包括基本理論、實驗精神，給了我們研究專題做了最有力的支持，讓我們

把在學期間所學習到的都發揮出來，有了成果，也驗証了在學習階段時並非虛度

而過。老師對於學生的關愛更是無所僅見，不斷導正我們正確的觀念，不致走錯

方向，也由於老師的指導與關心，學生的專題製作及學士論文方能達到目標，亦

在學習生活上更加順利。相信老師所給予的一切，學生將永銘於心，也將會是學

生未來永遠的學習指標。最後還要謝謝在這段學習過程中，周邊的朋友、親人也

都適時的給我們鼓勵，讓我們在灰心之餘，能重拾信心，為我們的專題而努力。

真的，非常的感謝他們。

iv

摘摘摘摘 要要要要

在此題目中，我們將利用指撥開關來產生設定值接到單晶片 8051 的 Port

0，使用組合語言將 8051 晶片的 Port 0 規劃為輸入，Port 2 為輸出，皆為八位

元的資料處理之後，經過 DAC 電路轉換成類比電壓後，再將電壓和三角波作差動

比較，產生 PWM 波形，將 PWM 波形接到馬達驅動電路來控制馬達的轉速，如此就

能利用我們所寫的程式作 PWM 的不同脈寬調變來作速度控制。此時再將掛有編碼

器的馬達拉回授至回授電路。而迴授電路是利用頻率電壓轉換 IC 把頻率轉成類

比信號，然後再經由 ADC IC 將類比信號轉為數位信號，接回 8051 的 Port 1，

以達到我們控制馬達轉速的目標。

v

Abstract

We use DIP SW to produce the setting up value and to connect the Port 0 of

Microprocessor 8051, then design the port 0 of 8051 for input, the port 2 of 8051 for

output by using assembler language Builder. All of these data are 8 bit and deal with

them. Then pass through the DAC circuit. Compare with voltage and triangle wave, to

produce PWM wave. After this, we use connect PWM wave to the Drive the circuit of

motor in order to control motor speed, so that, we can control the rate by using our

program. In addition, we use the motor with encoder connect to feedback circuit. The

feedback circuit is utilized by frequency to voltage IC converter into the analogy data,

we can transform the analogy data into digital data by Analog to Digital Converter,

then connect the Port 1 of 8051. The goal is finished.

vi

目目目目 錄錄錄錄

感謝................................................................................................................................ii

中文摘要.......................................................................................................................iii

英文摘要.......................................................................................................................iv

圖目錄..........................................................................................................................vii

表目錄...........................................................................................................................ix

第 1 章 前言..................................................................................................................1

第 2 章 直流馬達基本理論..........................................................................................4

2.1 轉矩動作原理....................................................................................................4

2.2 反電動勢............................................................................................................7

2.3 轉換功率............................................................................................................8

2.4 直流馬達的分類................................................................................................9

第 3 章 硬體研發及軟體應用....................................................................................12

3.1 基本圖形..........................................................................................................12

3.2 齒輪元件..........................................................................................................13

3.3 馬達系統的控制..............................................................................................16

3.3.1 位移回授控制............................................................................................16

3.3.2 速度回授控制............................................................................................17

3.3.3 位移-速度回授控制..................................................................................18

3.4 直流馬達的轉速控制法..................................................................................19

3.4.1 電樞電阻控制法........................................................................................19

3.4.2 電樞電壓控制法........................................................................................19

3.4.3 磁場控制法................................................................................................19

第 4章 元件介紹........................................................................................................22

4.1 8051 簡介.........................................................................................................22

vii

4.1.1 MCS-51 介紹...............................................................................................22

4.1.2 8051 單晶片的主要特性...........................................................................22

4.1.3 8051 接腳功能說明...................................................................................23

4.1.4 8051 的記憶體結構...................................................................................26

4.1.4.1 程式記憶體..........................................................................................26

4.1.4.2 資料記憶體..........................................................................................27

4.1.5 輸入/輸出埠..............................................................................................28

4.1.6 中斷結構....................................................................................................28

4.1.7 8051 內部計時器.......................................................................................29

4.2 數位/類比轉換器簡介....................................................................................30

4.2.1 原理介紹....................................................................................................30

4.2.2 DAC0800 接腳功能說明.............................................................................31

4.3 類比/數位轉換器簡介....................................................................................32

4.3.1 原理介紹.....................................................................................................32

4.3.2 ADC0804 接腳功能說明.............................................................................33

4.3.3 ADC0804 與 CPU 的溝通方式.....................................................................34

第 5章 電路設計........................................................................................................36

5.1 PWM 電路...........................................................................................................36

5.1.1 輸入部份....................................................................................................38

5.1.2 三角波產生電路........................................................................................40

5.1.3 比較電路....................................................................................................41

5.2 馬達驅動電路..................................................................................................43

5.3 頻率轉電壓感測器(FVC)................................................................................44

第 6章 結論................................................................................................................47

參考文獻......................................................................................................................48

附錄一…………………………………………………………….………………….49

viii

圖 目 錄

圖 1.1 電動機的種類....................................................................................................1

圖 1.2 馬達控制的基本架構........................................................................................2

圖 2.1 作用於導線之力................................................................................................4

圖 2.2 弗來明左手定則................................................................................................5

圖 2.3 轉矩的發生........................................................................................................5

圖 2.4 簡單 DC 馬達的動作..........................................................................................6

圖 2.5 電樞電流與導體電流........................................................................................6

圖 2.6 弗來明右手定則................................................................................................7

圖 2.7 磁激線圈與電樞線圈的連接方式..................................................................10

圖 3.1 馬達簡化模式的示意圖..................................................................................12

圖 3.2 電樞控制之直流馬達的控制方塊圖..............................................................13

圖 3.3 齒輪元件簡化的示意圖..................................................................................14

圖 3.4 齒輪元件示意圖..............................................................................................14

圖 3.5 直流馬達的方塊圖..........................................................................................15

圖 3.6 具電流回授之直流馬達方塊圖......................................................................16

圖 3.7 位移回授控制等效圖......................................................................................16

圖 3.8 位移回授控制方塊圖......................................................................................17

圖 3.9 速度回授控制等效圖......................................................................................17

圖 3.10 速度回授控制方塊圖....................................................................................18

圖 3.11 位移-速度回授控制等效圖..........................................................................18

圖 4.1 8051 接腳圖....................................................................................................23

圖 4.2 8051 程式記憶體............................................................................................27

圖 4.3 DAC0800 接腳圖..............................................................................................31

圖 4.4 ADC0804 接腳圖..............................................................................................33

ix

圖 5.1 控制流程圖......................................................................................................36

圖 5.2 PWM 驅動電路的方塊圖..................................................................................37

圖 5.3 數位/類比轉換電路........................................................................................38

圖 5.4 DAC0800 數位/類比轉換電路........................................................................39

圖 5.5 三角波產生電路..............................................................................................40

圖 5.6 三角波圖形......................................................................................................41

圖 5.7 比較電路..........................................................................................................42

圖 5.8 PWM 電路圖......................................................................................................42

圖 5.9 TIP120 電晶體................................................................................................43

圖 5.10 TIP120 內部電路..........................................................................................43

圖 5.11 LM2907 接腳圖..............................................................................................44

x

表 目 錄

表 2.1 直流馬達的激磁方式與特點.......................................................................... 11

表 3.1 直流馬達各種控制電路..................................................................................21

表 4.1 中斷優先表......................................................................................................29

1

第第第第 1111 章章章章 前言前言前言前言

電動機不論在家庭中或工商業界，都是不可或缺的裝置，也是一切動力最主

要的來源。電動機有多種不同的形式，傳統電動機偏重於大型動力用，由於各種

自動化機器的普及，故小型精密電動機也佔有重要地位。圖 1.1 為各種電動機種

類的簡介。

圖 1.1 電動機的種類

電動機相關的應用技術發展至今也達到成熟的境界，而且在日常生活中會使

用到大量的自動化設備，而自動化設備大部分都涉及到電動機控制，因此電動機

2

控制實為自動控制最基礎且重要的部分。下圖即為電動機的基本架構。

圖 1.2 馬達控制的基本架構

在直流電力系統已經相當少的情況下，但直流電動機依舊受歡迎有幾個原

因：一是在汽車、卡車和飛機上仍然在使用直流電，因此很明顯的，它會使用到

直流電動機。直流電動機另一個應用為需要大範圍改變速度之場合。而且直流馬

達相較於交流馬達具有下列幾項優點：

3

(1) 轉速控制範圍大：特別適合於以電壓控速的場合。

(2) 可獲得大的啟動轉矩：特別是串激馬達或複機馬達。

(3) 容易做制動控制：直流他激式馬達很適合做伺服控制。

(4) 不需考慮電源頻率和極數：直流馬達沒有所謂的同步速度問題，因此轉速與

磁場的級數無關。

但直流馬達卻有下列二項缺點：

(1) 價格比較昂貴。

(2) 因為有整流子及碳刷，所以維護麻煩，而且不易做成密閉型。

直到最近電力電子整流器、變頻器大量使用後，直流電動機在速度控制方面

的應用才比較不那麼卓越。即使無現成的直流電可用，固態整流器(Rectifier)

和截波器(Chopper)電路也可以產生所需的直流電，如此即可作直流電動機之速

度控制。(現今，在速度控制的應用場合，雖然感應電動機固態驅動器之發展已

和直流電動機不相上下，但在許多以速度控制應用為目的的場所，仍舊選擇直流

電動機。)

直流電動機速率調整率(Speed Segulations)的定義為

%100×−

=n

nnlSRω

ωω (1.1)

它是電動機的轉矩-速度(Torque-Speed)特性形狀的大概量測；正的速率調整率

代表著當負載增加時電動機速度會下降，而負的速率調整率代表電動機速率會因

負載增加而上昇。速率調整率的大小，說明了轉矩-速度曲線之斜率之陡峭。

直流電動機當然是由直流電源來驅動。除非有特殊規定，否則輸入到直流電

動機的電壓被視為是固定的，因為這樣的假定有助於簡化電動機的分析和不同型

式的電動機之比較。

4

第第第第 2222 章章章章 直流馬達基本理論直流馬達基本理論直流馬達基本理論直流馬達基本理論

2.12.12.12.1 轉矩動作原理轉矩動作原理轉矩動作原理轉矩動作原理

一載有電流的導線放在一均勻磁場中，由導線電流所產生之磁場與均勻磁場

相互作用的結果，使得導線受到電磁力之作用。則該導線受力為

)(sin tNBlIf θ⋅⋅⋅= (2.1)

其中 I 為導體流動電流(A)

l為導體有效的長度(m)

B 為磁通密度(G)

θ 為磁場與電流的夾角

圖 2.1 作用於導線之力

導線受力之方向可用弗來明左手定則來決定，其法則為將左手之拇指、中指和食

指彼此垂直，若食指和中指分別代表磁場和電流方向，則拇指即為導線受力之方

向。而且力量方向與磁場和電流方向互相垂直，如圖 2.2 所示。

5

圖 2.2 弗來明左手定則

由上述可以知道，馬達之所以會轉動，主要是磁場與電樞電流間的作用力，

進而產生力矩，如圖 2.3 所示。

圖 2.3 轉矩的發生

馬達必須將電線迴圈放置在磁場內才可引起一個迴轉運動，如圖 2.4 所

示，電線迴圈可繞著軸旋轉稱為電樞(Armature)線圈，電樞所在的磁場稱為電

場，當旋轉時換向器(Cummutator)和電刷(Brush)會提供電流給電樞。

6

圖 2.4 簡單 DC 馬達的動作

馬達在運轉時，我們可以下面公式來表示它的轉矩大小

∑ ⋅⋅⋅= RlBIT (2.2)

導體流動電流a

II a= ，其中 aI 為電樞的電流，a為電樞端子電路之並聯數，如圖

2.5所示。

圖 2.5 電樞電流與導體電流

7

另外以 Rπ2 表示電樞的圓周， lR ⋅π2 表示電樞的有效面積，且總體導數為Z，則

扭力可表示為

ππ

π

2

)()(

2

2 電樞表面上的總磁通總導體數 ×=

⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅∑ ∑

BRlZBZRlBRlRBl

若假如磁極數為2p，則相當於一磁極的空隙部份(電樞表面上)之磁通如果為φ ，

則電樞表面上的總磁通= φp2 ，所以 a

a iIZa

ppZ

a

IT ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅= φ

ππ

φ

2

1

2

2，因此可

得

φφπ

MT KZa

pK =⋅⋅⋅=

2

1 (2.3)

TK 稱為扭力常數。

aT IKT ⋅= (2.4)

上式為機電轉換方程式，此為直流馬達的基本公式之ㄧ。

2.22.22.22.2 反電動勢反電動勢反電動勢反電動勢

在磁場中運動的導體，其切割磁力線所產生之感應電動勢的方向，可用弗來

明右手定則來決定，其法則為，將右手之拇指、食指及中指互相垂直，以拇指代

表導體之運動方向，食指代表磁力線之方向，則中指所指之方向即為導體感應電

動勢之方向或電流流動之方向，如圖 2.6 所示。

圖 2.6 弗來明右手定則

8

當馬達運轉時，會在電樞兩端產生一感應電動勢也稱為反電動勢，其反電動

勢為

lBve ⋅⋅= (2.5)

其中， v為速度(m/s)

l為導體的有效長度(m)

B 為磁通密度

若假設電樞的總導體數為Z，電樞電路的並聯數為2a，則由電樞的正端到負端之

間的感應電動勢為 ∑∑ ⋅⋅==ss

lBveE 。又假設電樞的轉速為n，迴轉半徑為

R，則導線的線性速度為 Rnv π2= ，因此反電動勢

∑∑ =⋅⋅⋅=⋅⋅=⋅=ss

nZa

pp

n

Z

anBRlnBlRnE φφπππ 2

22

1222 ，令

φφ GE KZa

pK == (2.6)

上式稱為電氣常數。則感應電動勢為 nKE E ⋅= ，此為馬達基本公式之一。

2.32.32.32.3 轉換功率轉換功率轉換功率轉換功率

馬達為一種將輸入電能轉換成輸出機械能的裝置，亦即是由外部供給電

能，減去損失的部分能量變成機械能。

假設馬達電樞電路的電阻為 aR ，電樞電流為 aI ，則感應的反電動勢 bE 可用

下式來表示

aab IRVE −=

將兩邊同時乘上 aI ，可得

2

aaaab IRVILE −=

上式中， aVI 表示輸入電樞電路的功率

2

aa IR 表示電樞電路的電阻損失(又稱銅損)

ab IE 表示由輸入的電功率率減去電樞電路的損失，轉變為機械動力的

9

功率，一般都用 abw IEP = 來表示

如果以電樞發生的轉矩 )( mNT t − 與迴轉角度 )(2s

Radnπω = 來看，此轉動體

所產生的功率為 ωTPw = ，所以 nTIE ab π2= 。再由 wP 減去迴轉體的機械損失及

電樞鐵心的鐵損，就可得實際的馬達輸出功率。另外電樞的轉速(每秒多少圈)n，

可由E

aa

E

b

K

IRV

K

En

−== 來獲得。

2.42.42.42.4 直流馬達的分類直流馬達的分類直流馬達的分類直流馬達的分類

直流馬達的磁場除了採用激磁繞組之外，也可以利用永久磁鐵來產生，因此

直流馬達依磁場的類型不同，可以分為下列三種：

(1) 永久磁鐵式直流馬達(Permanent Magnet Type Motor)

此型馬達以永久磁鐵作為定子磁極，因其磁通量固定不變，無法加以控制，

所以中、大型者幾乎不採用此類型。

(2) 他激式直流馬達(Separately-Excited Motor)

他激式也稱外激式，其激磁繞組所用的電源與電樞繞組所用的電源是各自分

開獨立的，故電樞電壓與磁場強度可以個別控制互不相干，通常為大型機所

採用。

(3) 自激式直流馬達(Self- Excited Motor)

自激式的激磁繞組與電樞電路接成並聯或串連，由同一個直流電源來供電。

依激磁繞組的結線方式之不同，又可分為下列三種：

<1> 分激式直流馬達：激磁繞組與電樞並聯連接，所以也稱為並激式，激磁繞組

是由匝數多而線徑細的導線繞成，故其電阻值較大，場電

流通常僅為馬達額定電流的 1~4%。

<2> 串激式直流馬達：激磁繞組與電樞相串聯，此種串激繞組係使用匝數少而線

徑粗的導線繞成，因為通過串激繞組的電流等於電樞電

流，所以線徑必須比較粗大。

10

<3> 複激式直流馬達：其磁極上同時繞有分激繞組和串激繞組，依兩種線圈的連

接方式之不同，則可分為積複激式、差複激式。

圖 2.7 磁激線圈與電樞線圈的連接方式

11

表 2.1 直流馬達的激磁方式與特點

12

第第第第 3333 章章章章 數學分析數學分析數學分析數學分析

3.13.13.13.1 基本圖形基本圖形基本圖形基本圖形

做控制分析或設計之前，一定要先了解其基本物理特性，來獲得物理系統的

數學模式，圖 3.1 為電樞控制直流馬達的物理模式之示意圖，它的特點之ㄧ是定

子磁通固定，也就是定子場電流 fi 固定。

圖 3.1 馬達簡化模式的示意圖

其中， oe 為輸入電壓

aR ， aL 分別為電樞的電阻與電感

be 為反電動勢

mθ 為馬達轉子旋轉角度

fi 為定子線圈電流

mJ ， mB 分別為馬達的轉動慣量和轉動的阻尼係數

由電子電路的克希赫夫定律可得電氣方程式為

baa

a

ao eiRdt

diLe ++= (3.1)

機電轉換方程式為

13

aT iKT ⋅= (3.2)

由伺服系統的牛頓定律可得機械方程式為

dt

dB

dt

dJT mmm

θθ+=

2

2

(3.3)

特性方程式為

ωEb Ke = (3.4)

由上面四個方程式可得直流馬達的輸出轉速與電樞電壓的關係式為

ETmmaa

ET

o

m

KKBsJRsL

KK

e +++=

))((

ω (3.5)

或馬達轉子轉動角度與馬達電樞電壓的關係式為

[ ]ETmmaa

ET

o

m

KKBsJRsLs

KK

e +++=

))((

θ (3.6)

而控制方塊圖如圖 3.2 所示

圖 3.2 電樞控制之直流馬達的控制方塊圖

3.23.23.23.2 齒輪元件齒輪元件齒輪元件齒輪元件

齒輪元件是機械旋轉系統中常用來做減速功用的一個基本元件。

圖 3.3 為齒輪元件的示意圖

14

圖 3.3 齒輪元件簡化的示意圖

若齒輪為理想的，令1

2

1

2

r

r

N

Nn == 為齒輪比，其中 N 代表齒數。我們由輸入的功

率等於輸出的功率，即′

=′

2211 θθ TT ，可以得到1

2

2

1

T

T=

′

′

θ

θ，而且 2211 rr θθ = 。故

nr

r

N

N

T

T====

′

′=

1

2

1

2

1

2

2

1

2

1

θ

θ

θ

θ。 (3.7)

若把齒輪組的慣量與阻尼係數併入馬達的系統去考慮時，可由圖 3.4 來分析

圖 3.4 齒輪元件示意圖

15

馬達側部分的方程式為 12

2

Tdt

dB

dt

dJT m

m

m

mm ++=θθ

負載側部分的方程式為 L

L

L

L

L Tdt

dB

dt

dJT ++=

θθ2

2

2

將上二式整理，可得

LmLmmLmm TN

NB

N

NBJ

N

NJT )()()(

2

12

2

12

2

1 +

++

+= θθ &&&

LmLmmLmm nTBnBJnJT ++++= θθ &&& )()( 22

meqmeqm BJT θθ &&& +=

其中 Lmeq JnJJ2+= 稱為等效慣量

Lmeq BnBB2+= 稱為等效阻尼係數

因此馬達的輸出/輸入之轉移函數可改寫成

ETeqeqaa

ET

o

m

KKBsJRsL

KK

e +++=

))((

ω

其馬達系統的方塊圖如圖3.5所示；而圖3.6是具有電流回授的馬達系統方塊圖。

圖 3.5 直流馬達的方塊圖

16

圖 3.6 具電流回授之直流馬達方塊圖

3.33.33.33.3 馬達系統的控馬達系統的控馬達系統的控馬達系統的控制制制制

3.3.13.3.13.3.13.3.1 位移回授控制位移回授控制位移回授控制位移回授控制

位移回授控制就是將馬達的位移角度輸出，經由位移伺服器(Positional

Servomechanism)或位移計(Potentiometer)量測後，再回授控制。位移計基本上

是一個機電元件，其功能是將位移轉換為電壓訊號。圖 3.7 為以電樞控制直流馬

達為例，顯示位移回授控制的等效圖。而圖 3.8 位移回授控制的方塊圖，其中 SK

為位移計增益。

圖 3.7 位移回授控制等效圖

17

圖 3.8 位移回授控制方塊圖

3.3.23.3.23.3.23.3.2 速度回授速度回授速度回授速度回授控制控制控制控制

速度回授控制就是將馬達的角速度經由轉速計(Tachometer)量測後再回授

控制。轉速計也是一個機電元件，其功能是產生一個正比於速度的電壓訊號。圖

3.9 為以電樞控制直流馬達為例，顯示速度回授控制的等效圖。而圖 3.10 速度

回授控制的方塊圖，其中 hK 為轉速計增益。

圖 3.9 速度回授控制等效圖

18

圖 3.10 速度回授控制方塊圖

3.3.33.3.33.3.33.3.3 位移位移位移位移----速度回授控制速度回授控制速度回授控制速度回授控制

將位移及速度分別由位移計及轉速計回授做控制，稱為伺服系統的位移-速

度回授控制。通常位移回授亦可用所謂的 Encoder 做量測器。使用 Encoder 的優

點是馬達的速度值亦可用 Encoder 的資料計算而得，換言之，使用 Encoder 便可

同時達到位移及速度回授的量測目的。因此，我們所選擇的馬達，最好有掛

Encoder，如此才能使我們可以方便地得到馬達回授的訊號。圖 3.11 為位移-速

度回授控制的等效圖。

圖 3.11 位移-速度回授控制等效圖

19

3.43.43.43.4 直流馬達的轉速控制法直流馬達的轉速控制法直流馬達的轉速控制法直流馬達的轉速控制法

直流馬達的最大優點之ㄧ是其轉速控制非常簡單且有效，由轉速公式

φG

aa

E

aa

K

IRV

K

IRVn

−=

−= 可知，影響直流馬達轉速的因素有：(1)輸入端電壓，(2)

電樞電阻，(3)主磁極磁通量。只要將上述因素中任一項改變，即可控制馬達的

轉速。

3.4.13.4.13.4.13.4.1 電樞電阻控制法電樞電阻控制法電樞電阻控制法電樞電阻控制法

維持外加電壓及主磁通不變，而插入電阻於電樞電路上以改變 aa IR 壓降的

方法，稱為電樞電阻控制法。電樞電阻控速法只能將轉速控制在基本轉速以下(額

定電樞電壓及額定磁場電流時的轉速稱為基本轉速)，而且當馬達加重負載時，

將引起很大的減速作用(因 aa IR 的壓降極大)，造成不良的轉速調整率。另外，

由於電樞電流通常都遠大於磁場電流，所以電樞所串接的電阻器功率損失極大，

使得整體效率降低。

3.4.23.4.23.4.23.4.2 電樞電壓控制法電樞電壓控制法電樞電壓控制法電樞電壓控制法

維持主磁場磁通不變，而改變電樞兩端的外加電壓來達到控制轉速的目的。

此法適用於他激式馬達的轉速控制，轉速大致與外加電壓成正比變化。電樞電壓

控速法僅能將轉速控制在基本轉速以下，因為如果企圖將電壓調高至大於額定值

以上時，就必須考慮線圈的絕緣問題了。電樞電壓控速法的轉速調整率比電樞電

阻控速法優良，但是當外加電壓較低時，因電樞電阻的壓降對反電動勢的比值相

對地增大，故轉速調整率將較差，同時，低速時的冷卻效果亦較差。

3.4.33.4.33.4.33.4.3 磁場控制法磁場控制法磁場控制法磁場控制法

由直流馬達的轉速公式φG

aa

E

aa

K

IRV

K

IRVn

−=

−= 得知，磁通量愈小實轉速將

愈高，所以只要在分激繞組上串接電阻器，或在串激繞組上並接電阻器，就可以

20

達到改變磁通量控制轉速的目的。以分激馬達而言，當磁通φ 減小時，因為機械

慣性的關係，所以在轉速尚未變化之前，電樞的反電動勢即因磁通的減小而降

低，如此一來，電樞電流將大增。

根據轉矩公式 aMaT IKIKT ⋅=⋅= φ 得知，在電樞電壓增大的瞬間，電磁轉

矩將大於負載轉矩，故馬達得以加速，一旦加速後，反電動勢便又上升，使得電

樞電流和轉矩都降低下來，最後馬達將以比原先轉速高的速度達到穩定運轉。

磁場控速法只能將轉速控制在基本速度之上，並且只能作定功率(定馬力)

的運轉。因為對於定轉矩負載而言，場磁通的減弱，將導致電樞電流的增加，因

而產生更嚴重的電樞反應，而呈現運轉上的不穩。另外，在高速運轉時，換向時

間變短，因此電樞的自感電勢變大，使換向困難，故一般磁場控速法的範圍，對

於小型機而言約在基準速度的 3倍以下，大型機約在基準速度的 2倍以下較佳。

21

表 3.1 直流馬達各種控制電路

22

第第第第 4444 章章章章 元件介紹元件介紹元件介紹元件介紹

4.1 80514.1 80514.1 80514.1 8051 簡介簡介簡介簡介

4.1.1 MCS4.1.1 MCS4.1.1 MCS4.1.1 MCS----51515151 介紹介紹介紹介紹

MCS-51 晶片是 Intel 公司，繼 8048 之後所開發出來功能完備的單晶片。按

照其晶片記憶體的包裝不同，共分四種型態：

(1) 晶片內不含程式記憶體（ROM）的，如 8031，8031AH，80C31。此種晶片需

外接程式記憶體(ROM 或 EPROM)才能工作，多只用來做線路實體模擬器(ICE)

或微電腦學習機等開發工具。

(2) 晶片內含程式記憶體（ROM）的，如 8051，8051AH，80C51。此種晶片用在，

當產品的功能已定型，需要大量生產時，將程式送至 IC 製造廠，即可在單

晶片微電腦的製造過程中將程式製作在內部的 ROM 內。

(3) 晶片內含程式記憶體，是 EPROM，如 8751，8751AH，87C51H。此種晶片當燒

錄於內部之程式需要修改時，可用紫外線燈照射其正上方之透明窗口 15~30

分鐘而將內部之程式清除掉再重新燒錄新程式。

(4) 晶片內含程式記憶體，是 EEPROM，如 89C51。此種片可直接用燒錄器立即將

內部之程式清除掉並重新燒錄程式。

4.1.2 80514.1.2 80514.1.2 80514.1.2 8051 單晶片的主要特性單晶片的主要特性單晶片的主要特性單晶片的主要特性

(1) 專為控制應用所設計的 8位元 CPU。

(2) 有 32 條 I/O 接腳(即 4個位元 I/O 埠)。

(3) 具有單位元布林代數運算能力。

(4) 有一組全多工的萬用非同步接收/傳送器(UART)。

(5) 有二組 16 位元之計時/計數器。

(6) 晶片內部有時脈振盪電路。

(7) 具有兩層(高/低)優先權順序之中斷結構，5個中斷源。

23

(8) 晶片內部有 128 位元組的資料記憶體(DATA RAM)。

(9) 晶片內部有 4K 位元組的程式記憶體(ROM)。

(10) 程式記憶體可擴展至 64K 位元組(ROM)。

(11) 外部可擴充資料記憶體 64K 位元組(RAM)。

(12) 最快執行速度為 1µ s(工作頻率為 12M Hz 時)。

4.1.3 80514.1.3 80514.1.3 80514.1.3 8051 接腳功能說明接腳功能說明接腳功能說明接腳功能說明

圖 4.1 8051 接腳圖

(1) Vcc(第 40 腳)：8051 的電源輸入端，必須接+5 伏特電源。

(2) Vss(第 20 腳)：8051 的接地腳，接 0伏特(GND)。

24

(3) PO.O~PO.7(第 32 腳~第 39 腳)：

<1> 8 位元之輸入/輸出埠。稱為 Port O，簡稱為 P0。

<2> 接腳 PO.O~PO.7 均為開汲極(Open Drain)結構，沒有內部提升電阻。若

欲輸出 Hi 或 Low 之電壓，需自己在接腳處接上外不提升電阻(約 10KΩ

左右即可)。

<3> 當外接記憶體或外接 I/O 時，必需利用 PO.O~PO.7 作為位址 匯流排及

資料匯流排的雙工使用。

<4> Port O 作輸出埠用時，每隻接腳均可沉入(Sink)8 個 LS TTL 負載。

<5> 若某接腳欲當做輸入腳用，則需先將 1寫入這隻接腳。

(4) P1.O~P1.7(第 1 腳~第 8 腳)：

<1> 8 位元之輸入/輸出埠。稱為 Port 1，簡稱為 P1。

<2> Port 1 為具有內部提升電阻(約 30KΩ )的雙向輸入/輸出埠。可以驅動

4 個 LS TTL 負載。

<3> 每隻腳均可當成輸入腳或輸出腳使用。

<4> 若某接腳欲當作輸入腳用，則需先將 1寫入這隻接腳。

(5) P2.O~P2.7(第 21 腳~第 28 腳)：

<1> 8 位元之輸入/輸出埠。稱為 Port 2，簡稱為 P2。

<2> Port 2 為具有內部提升電阻(約 30KΩ )的雙向輸入/輸出埠。可以驅動

4 個 LS TTL 負載。

<3> 每隻腳均可當成輸入腳或輸出腳使用。

<4> 若某接腳欲當作輸入腳用，則需先將 1寫入這隻接腳。

<5> 當 CPU 使用 16 位元的位址對外部記憶體進行存取時，Port 2 被用來

輸出位址的高位元組。

(6) P3.O~P3.7(第 10 腳~第 17 腳)：

<1> 8 位元之輸入/輸出埠。稱為 Port 3，簡稱為 P3。

<2> Port 3 為具有內部提升電阻(約 30KΩ )的雙向輸入/輸出埠。可以驅動

25

4 個 LS TTL 負載。

<3> 每隻腳均可當成輸入腳或輸出腳使用。

<4> 若某接腳欲當作輸入腳用，則需先將 1寫入這隻接腳。

<5> Port 3 的接腳可以作為下列特殊用途：

P3.0：RXD(串列通訊的信號接收腳)

P3.1：TXD(串列通訊的信號傳送腳)

P3.2： INTO (外部中斷 0的輸入腳)

P3.3： INTO (外部中斷 1的輸入腳)

P3.4：T0(計時/計數器 0的輸入腳)

P3.5：T1(計時/計數器 1的輸入腳)

P3.6：WR (當 CPU 欲將資料送至外部 RAM 或外部 I/O 裝置時，此腳會

產生負脈波。稱為寫入脈波輸出腳。)

P3.7：RD (當 CPU 欲從外部 RAM 或外部 I/O 讀取資料時，此腳會產生

負脈波。稱為讀取脈波輸出腳。)

(7) RESET(第 9 腳)：重置輸入腳。

<1> 此腳內部已有一個 50KΩ ~300KΩ的電阻接地，所以只需接一個電容器

至+Vcc 即可再電源 ON 時產生開機重置的功能。但是，我們常會在 RESET

腳用一個 8.2KΩ ~10KΩ電阻接地，以縮短開機重置的時間。

<2> 若有需要，亦可再電容器量端並聯一個常開按鈕，以便壓此按鈕時可強

迫系統重置。

<3> 當重置訊號發聲會產生下列作用：

內部相關的暫存器會被重置為特定的內容值。

在 Port 0~ Port 3 的每一隻接腳都寫入 1。

令 CPU 從位址 0000H 開始執行程式。

26

(8) XTAL1 和 XTAL2(第 18 和 19 腳)：兩腳之間需接一個 3.5M Hz~12M Hz 之石英

晶體。

(9) PSEN (第 30 腳)：外部程式記憶體致能輸出腳。當 CPU 欲讀取外部程式記

憶體的內容時，此腳會自動產生負脈波。

(10) ALE(第 30 腳)：位址閂鎖致能輸出腳。當 CPU 對外部裝置存取資料時，此

腳輸出脈波之負緣可用來鎖住由 Port 0 送出之低位元組位址。

(11) EA /Vpp(第 31 腳)：為一隻輸入腳，供選擇使用內部或外部 ROM。

<1> EA =0：一律執行外部 ROM 的程式。

<2> EA =1：此時 8051 先執行內部 ROM 程式，若欲執行超過 4K 的程式，

則由外部 ROM 提取。

4.1.4 80514.1.4 80514.1.4 80514.1.4 8051 的記憶體結構的記憶體結構的記憶體結構的記憶體結構

8051 的記憶體可以分成 3塊獨立的記憶體：

(1) 內部及外部程式記憶體（ROM）的總容量有共 64K Byte。

(2) 可在外部擴充 64K byte 的資料記憶體（RAM）。

(3) 內部資料記憶體(RAM)空間 256 Byte。

4.1.4.14.1.4.14.1.4.14.1.4.1 程式記憶體程式記憶體程式記憶體程式記憶體

8051 的程式記憶體有內部及外部兩種，可由EA接腳來控制。當EA接為高

電位時，則自內部 0000H 開始讀取程式碼，當超過 0FFFH(4K Byte)時，就跳至

外部程式記憶體讀取程式。而當 EA 為低電位時，就一律自外部記憶體 0000H，

開始讀取程式記憶體。其程式記憶體的位址圖如圖 4.2 所示。

27

圖 4.2 8051 程式記憶體

4.1.4.24.1.4.24.1.4.24.1.4.2 資料記憶體資料記憶體資料記憶體資料記憶體

8051 擁有 256 byte 的內部 RAM，外部則可再擴充 64K byte 的 RAM。內部 RAM

用指令 MOV 存取，外部 RAM 則用指令 MOVX 存取。而內部 RAM 依用途之不同可分

為四個區域：

(1) 一般用途暫存器

<1> 位址在 00H~1FH，共有 32 個 Byte。

<2> 一共分為四個暫存器庫(Register Bank)，分別稱為暫存器庫 0~暫存器

庫 3。每一個暫存器庫都有 8個一般用途暫存器，分別稱為 R0~R7。

<3> 系統重置後，會指到暫存器庫 0。

(2) 可位元定址區

<1> 位址在 20H~2FH，共有 16 個 Byte 等於 128 Bit(位元址 00H~7FH)。

<2> 寫程式時，每一個位元位址可用：直接使用 00H~7FH 之位元位址或用位

元組帶點號的表示方式。

<3> 也可以位元組為 1單位，於以存取資料。

(3) 資料儲存區

<1> 位址在 30H~7FH，共有 80 個 Byte。

28

<2> 由鍵盤輸入的數值就是儲存在這各區域內。

<3> 常將堆疊指標 SP 止至此區域，把資料儲存區的一部分當作堆疊器使用。

(4) 間接存取區(只有 8052 才有)

<1> 位址在 80H~FFH，共有 128 個 Byte。

<2> 資料的存取必須採用間接定址指法，亦即須以暫存器 RO 或 R1 當位址而

存取之。

4.1.54.1.54.1.54.1.5 輸入輸入輸入輸入////輸出埠輸出埠輸出埠輸出埠

8051 的埠腳都是雙向性的，既可當輸入腳用、亦可當輸出腳用。I/O 埠共

有 32 位元，分成 P0 、P1 、P2 、P3 四個 8 位元的 I/O 埠，每一個 I/O 埠皆

由閂鎖(D 型正反器)、輸出驅動電路及輸入緩衝器所組成。除了 P1 純粹做為輸

入與輸出的功能外，P0 還具有擴充外接記憶體或其他週邊資料匯流排和低位元

址的功能，P2 有擴充外接記憶體之高位元址的功能，P3 具有中斷要求輸入、計

數輸入、串列埠輸入/輸出，讀、寫控制訊號等功能。

4.1.64.1.64.1.64.1.6 中斷結構中斷結構中斷結構中斷結構

8051 提供了 5 種中斷來源：計時器 0(TF0)、計時器 1(TF1)，當產生溢位時，

溢位旗標 TFO(TF1)會自動被設定為 1，直至 CPU 跳去執行相對應的中斷副程式時

才會自動清除為 0。串列埠中斷(RI 或 TI)屬內部中斷，必需自己用指令來清除

RI 或 TI。INT0 和 INT1 屬外部中斷，可藉由特殊功能暫存器中的計時/計數控

制暫存器(TCON)內的 ITO(或 IT1)位元規劃為負緣觸發或低準位動作，如果是負

緣觸發型中斷，會令 IE0(或 IE1)自動保持為 1 直到 CPU 跳去執行相對應的中斷

副程式時才會自動清除為 0。若為低準位動作，接腳 INT0(或 INT1)的低電位必

須維持至 CPU 跳去執行相對應的中斷副程式為止。

29

表 4.1 中斷優先表

4.1.74.1.74.1.74.1.7 8051 8051 8051 8051內部計時器內部計時器內部計時器內部計時器

8051內部有兩個16位元計時器稱為Timer0和Timer1，Timer0和Timer1的使用

方法幾乎一樣，可以利用特殊功能器TMOD中的C/T 控制位元來選擇計時或計數功

能，並由TMOD中的位元M1及M0來選擇四種不同工作模式：

(1) Mode0：13位元計時器模式。

(2) Mode1：16位元計時器模式。

(3) Mode2：附有自動重新載入功能的8位元計時器。

(4) Mode3：在Mode3時Timer0與Timer1不同。Timer0 被拆成兩個獨立的8位元計

時器TL0和TH0。Timer1在Mode3時就停止計時/計數功能。

8052內部比8051多出一個計時器Timr2，Timer2除了能計時外還有三種工作

模式:

(1) 自動再載入模式(Auto Reload Mode):附有自動重新載入功能的16 位元計時

器。

(2) 捕取模式(Capture Mode):可由外部觸發鎖住計時值的16位元計時器。

(2) 鮑率產生器模式(Baud Rate Generator):當作UART的位元率（或稱鮑率）產

30

生器，以控制UART的傳送速率。

4.24.24.24.2 數位數位數位數位////類比轉換器簡介類比轉換器簡介類比轉換器簡介類比轉換器簡介

4.2.14.2.14.2.14.2.1 原理介紹原理介紹原理介紹原理介紹

當我們用微處理機來控制外界的裝置時，常發現外界的裝置需要類比的輸入

控制訊號，例如溫度、電壓、電流等，但微處理機輸出的為數位訊號，因此必須

經過數位/類比轉換器(Digital to Analog Converter，簡稱 DAC)將數位訊號轉

變成類比信號。

一般 DAC，根據其轉換原理，大致有下列幾四種：

(1) 加權電阻式 DAC

(2) R-2R 階梯式 DAC

(3) 加權電容式 DAC

(4) C-2C 階梯式 DAC

而對於 DAC 的規格，有下列四項：

(1) 解析度

定義為 DAC 之最小輸出改變量(即 LSB 由 0 變為 1或由 1變為 0所產生之輸

出變化量)除以最大輸出值，可由下式來表示：

解析度=255

1

12

1

)222(

28821

8

=−

=+⋅⋅⋅++

⋅−−−−

−

VFS

VFS (4.1)

其中，VFS 為滿刻度輸出電壓。

由此可看出，DAC 的位元數愈多，其解析度愈好。

(2) 精密度

精確度= 100%-

×理想輸出值

實際輸出值理想輸出值 (4.2)

(3) 線性度

當 DAC 的數位輸入每增加 1的增量時，其類比輸出應增加 1相對的量，亦即

轉換曲線是要直線。

31

(4) 穩定時間

定義為從 DAC 之數位輸入一直到得到一穩定之類比輸出的時間，所謂穩定的

類比輸出通常已達到滿刻度的上下 0.2%為穩定值。

4.2.2 DAC08004.2.2 DAC08004.2.2 DAC08004.2.2 DAC0800 接腳功能說明接腳功能說明接腳功能說明接腳功能說明

圖 4.3 DAC0800 接腳圖

(1) VLC(第 1 腳)：邏輯臨界腳。因為不同的邏輯族有不同的輸出電壓，因此將

這些不同的輸出電壓作為 DAC0800 的數位數入即需將電壓做一個調整。

DAC0800 之訊號來源為 TTL 之輸出時，此腳要接地。

(2) Iout ， Iout (第 2，4 腳)：類比電流輸出。 Iout 與 Iout 之和為定值，其關係

為 FSIIoutIout =+ (滿刻度電流)。

(3) -V(第 3 腳)：負電源輸入。其範圍為 VVV 5.418 −≤−≤− 。

(4) +V(第 13 腳)：正電源輸入。其範圍為 VVV 185.4 +≤+≤+ 。

(5) D0~D8(第 5~12 腳)：數位輸入。D1 為 MSB，D8 為 LSB。

(6) +refV ， −refV (第 14，15 腳)參考電壓輸入。用來決定滿刻度電流的大小。

32

(7) COMP(第 16 腳)：頻率補償。接電容成為補償電路以防止高頻振盪。

4.34.34.34.3 類比類比類比類比////數位轉換器簡介數位轉換器簡介數位轉換器簡介數位轉換器簡介

4.3.14.3.14.3.14.3.1 原理介紹原理介紹原理介紹原理介紹

當我們用微處理機來處理外界的類比訊號，必需將其感應所得到的類比電壓

或電流信號轉換成微處理機所能處理的等值數位信號，因此必須借住於類比/數

位轉換器(Analog to Digital Converter，簡稱 ADC)。

一般 ADC 所能夠接受的類比輸入電壓的範圍，典型的有 0~+5V，0~+10V，

-5V~+5V，-10V~+10V 等，若其輸入電壓可正可負，則稱其為雙極性，反之，若

其輸入電壓僅能為正，則稱其為單極性。ADC 根據其轉換原理，大致有以下幾種：

(1) 直接並聯比較式 ADC

(2) 逐次漸進式 ADC

(3) 計數式 ADC

(4) 雙斜率式 ADC

(5) 單斜率式 ADC

而對於 DAC 的規格，有下列三項：

(1) 解析度

解析度=12 −N

輸入電壓範圍的大小 (4.3)

位元數愈多，解析度愈好，所以我們亦常以位元數當作解析度。

(2) 誤差值

數位輸出的誤差可能偏離理論值多少個 LSB。一般以4

1± LSB，2

1± LSB 或

1± LSB 等來表示。

(3) 轉換時間

令 ADC 開始轉換至其轉換完成所需的時間。

33

4.3.24.3.24.3.24.3.2 ADC0804 ADC0804 ADC0804 ADC0804 接腳功能說明接腳功能說明接腳功能說明接腳功能說明

圖 4.4 ADC0804 接腳圖

(1) CS (第 1 腳)：晶片選擇訊號。CS =0 時才能致能 ADC。

(2) RD (第 2 腳：)讀取信號。CPU 可令CS =0 及RD =0 以讀取進 DB7~DB0。

(3) WR (第 3 腳)：開始轉換訊號。CPU 經由此接腳送給 ADC 一個低電位的脈衝

信號以令其開始作 ADC 轉換的工作。

(4) CLK(第 4 腳)：時脈讀入。可直接接 CPU 的時脈訊號，但不能大於 640K Hz，

亦可與 CLKR(第 19 腳)配合，加 RC 電路以自行產生脈衝，其

震盪頻率為RC

fCLK 1.11= 。

(5) INTR (第 5 腳)：轉換完成信號。ADC 經由此接腳送出一低電壓的信號告訴

CPU 轉換已完成。

(6) VI+，VI-(第 6，7 腳)：差動類比電壓輸入。其輸入電壓的上限由參考電壓

VREF(第 9 接腳)決定，若 VI-接地，則 VI+最大輸出

34

為 2 倍 VREF。

(7) AGND(第 8 腳)：類比信號接地。

(8) DGND(第 10 腳)：數位信號接地。

(9) VREF(第 9 腳)：參考電壓輸入。用來控制類比輸入電壓能夠正常轉換為數位

輸出的電壓上限。通常 VREF 應調至輸入電壓上限的一半值。

(10) DB7~DB0(第 11~18 腳)：數位輸出。DB7 為 MSB，DB0 為 LSB。

4.3.3 ADC08044.3.3 ADC08044.3.3 ADC08044.3.3 ADC0804 與與與與 CPUCPUCPUCPU 的溝通方式的溝通方式的溝通方式的溝通方式

以 CPU 控制 ADC 則必須下達「開始轉換」的命令給 ADC0804，然後 ADC0804

就開始取入類比輸入端的電壓，在內部開始轉換，經過ㄧ段轉換時間後 ADC0804

就將轉換完成的值放在內部的三態輸出拴鎖暫存器裡，然後將轉換完成輸出腳

INTR降為 LOW，以通知 CPU 可以去讀取轉換完成的資料。

下達「開始轉換」的命令後，CPU 去檢查 INTR的狀況可知是否轉換完成，

其方法有兩種：(1)輪詢法，(2)中斷法

所謂輪詢法便是將 ADC0804 的 INTR接到 CPU，然後以軟體指令主動偵測其狀態，

當偵測是 0時，就可以讀出 ADC0804 的緩衝區的轉換值。

而中斷法因為不像輪詢法，必須讓 CPU 等 ADC0804 轉換完畢後，INTR會降為 0，

我們可以利用此信號去中斷 CPU，再由中斷副程式去讀取轉換值即可，當 CPU 接

收到 ADC0804 發出轉換完畢的信號( INTR =0)後，就可以去讀出轉換值，使得

INTR又升為 1。

其歸納如下：

(1) CPU 下達「開始轉換」的命令(CS =0，WR =0)

(2) ADC0804 轉換完畢( INTR=0)

35

(3) CPU 讀取轉換值(CS =0，RD =0)

(4) 讀完後( INTR=1)

36

第第第第 5555 章章章章 電路設計電路設計電路設計電路設計

我們是利用組合語言將在單晶片 8051 內部作一比較晶功能，然後輸出訊號

經過 DAC IC 轉換成類比電壓後，再將電壓和三角波作差動比較產生脈波寬度調

變(PWM)波形，將 PWM 波形接到馬達驅動電路來控制馬達的轉速。此時再將掛有

編碼器的馬達拉利用頻率電壓轉換 IC 把頻率轉成類比信號作為回授路徑，然後

回授訊號再經由 ADC IC 將類比信號轉為數位信號，接回 8051 晶片。圖 5.1 為整

個電路簡單的示意圖。

圖 5.1 控制流程圖

5.1 PWM5.1 PWM5.1 PWM5.1 PWM 電路電路電路電路

控制馬達的方式有很多種，其中大多採用脈波寬度調變(PWM)方法來控制馬

達通電時間的長短，只要先定出適當頻率，再調整從 0~100%可使馬達轉速由 0-

最大轉速。因此假如頻率太低則可感覺馬達轉轉停停，而頻率太高可能馬達機械

轉動反應不即。

波寬度調變的產生，我們是利用比較器將不同的電壓值和三角波來作比較，

37

所產生出不同脈波寬度的方波，而須注意到的一點是，三角波之週期可以決定整

個脈波的週期，所以如果要利用 PWM 來控制馬達的話，脈波週期必須遠較於馬達

的電氣時間常數還小，因為在電氣時間常數期間，馬達本身之電感所儲存之能

量，能使馬達還可以繼續旋轉，而利用 PWM 脈波來驅動馬達可以達到節省功率的

效果。

脈寬調變是將類比訊號週期性取樣的一種處理程序，包含在類比信號中的資

料僅在取樣時間傳輸，同時也具有同步及測量的脈衝。在接收端，原來的信號可

從取樣訊號中予以恢復，如果原來取樣頻率夠高的話，重新恢復的類比信號僅有

少許的誤差或失真的現象。

脈衝寬度調變，有時也稱為脈衝期間調變。在脈衝寬度調變中信號以固定間

隔取樣，但脈波寬度在取樣瞬間和信號的振幅成正比。然而我們必須考慮到脈波

寬度有實際上的限制，很明顯的，脈波寬度不能超越脈衝之間的距離，如果有此

現象，則會產生重疊的情形，而會造成脈波寬度和信號振幅的正比關係將不再存

在。因為負脈衝寬度並沒有任何意義，所以信號最大負的變動會產生在零脈衝寬

際上，這些限制較嚴格，根據拇指定則，最大的脈衝不可以超過最大值的 80%，

而最窄的脈衝寬度不可低於最大值的 20%。

下圖為 PWM 驅動電路的示意圖，我們將在下面一一介紹每一個電路的部份

圖 5.2 PWM 驅動電路的方塊圖

38

5.1.15.1.15.1.15.1.1 輸入部份輸入部份輸入部份輸入部份

DAC0800 的數位對類比轉換器，是一種以數位信號輸入而改變類比輸出電流

大小的 IC。不同的數位值輸入會有不同的電流的輸出，在其後接上電組和 OP 電

路便能把電流變化，化作電壓變化。而現今我們利用 8051 輸出數位信號，經過

DAC0800 的轉換，進一步以電壓變化來控制馬達的轉速。

圖 5.3 數位/類比轉換電路

由圖 5.3 知，其參考電流及類比輸出電流如下：

mAK

VI ref 35.2

1.5

12≅=

K

VDATAI

DATAI refout

1.5

12

256256×=×=

YK

VDATAYIV outout ××=×=

1.5

12

256

假設 DATA=00 時， VVout 5−=

DATA=FF 時， VVout 5+=

當 DATA=00 時， YX

VY

X

VY

K

VVVout ×−=×−××=−=

1212

1.5

12

256

005

39

所以 YX ×=5

12

當 DATA=FF 時， VYX

VY

K

VVout 5

12

1.5

12

256

255=×−××=

則 Y 的電阻值為 Ω≅Ω××−−+

= KKVV

Y 26.41.5255

256

12

)5(5

所以 Ω=×= KYX 24.105

12

由於實驗的誤差，經過我們測試電路之後發現，當 Ω= KX 47.10 、 Ω= KY 3.4 時，

最能達到我們所預期的結果。下圖為我們規劃 DAC0800 數位/類比轉換的電路。

圖 5.4 DAC0800 數位/類比轉換電路

40

5.1.25.1.25.1.25.1.2 三角波產生電路三角波產生電路三角波產生電路三角波產生電路

圖 5.5 三角波產生電路

我們可以利用上圖的電路，來產生三角波。

對於 OP AMP 的輸入而言，可得 01

=+

S

BA

C

V

X

V。

其中假設 Ω= KX 24 ， FC µ0015.0= ，則 0

100015.0

1246

=

×

+

−

BA V

K

V

因此可得s

V

s

VV AA

B 33 10036.0100015.024 −− ×−=

××−= 。

對於比較器的輸入而言，可得 0=+Y

V

D

V BA

其中假設 Ω= KD 180 ， Ω= KY 75 ，

則可得 VVK

KV AB 512

36

15

180

75−=×−=−= ，此為三角波的最大振幅。

41

圖5.6 三角波圖形

而三角波的振盪頻率計算如下：

TV

VV ABB ∆×

×=−

3minmax10036.0

所以 03.012

1010036.010036.0 33

=××

=∆××

=∆−−

A

B

V

VT 秒，

亦即此電路的振盪頻率為 KHzT

f 667.162

1=

∆⋅= 。

5.1.35.1.35.1.35.1.3 比較電路比較電路比較電路比較電路

在此我們利用LM393(低功率低抵補電壓對裝比較器)來作三角波與方波的比

較。這顆IC的特點是和所有型式的羅邏輯均能匹配。電源供應範圍2V至36V或雙

電源±1V至±18V均可。差動輸入電壓範圍等於電源供應電壓。圖5.7為我們規劃

LM393來進行比較的示意圖。

42

圖 5.7 比較電路

圖 5.8 為我們所規劃的 PWM 電路圖

圖 5.8 PWM 電路圖

43

5.2 5.2 5.2 5.2 馬達驅動電路馬達驅動電路馬達驅動電路馬達驅動電路

因為從 DAC0800 輸出的電流值很小，不足以驅動馬達，所以我們使用功率較

大的 TIP120 電晶體將電流放大，下圖為 TIP120 電晶體的圖示。

圖 5.9 TIP120 電晶體

TIP120 電晶體裡面為一達靈頓電路，圖 5.6 所表示的為 TIP120 內部電路，此電

路可以把電流放大到足以驅動馬達。而且此電晶體的特點是它的電壓增益只有

1，但電流增益可達 1000，而且最大輸出電流為 5A。

圖 5.10 TIP120 內部電路

44

5.5.5.5.3333 頻率轉電壓感測器頻率轉電壓感測器頻率轉電壓感測器頻率轉電壓感測器(FVC)(FVC)(FVC)(FVC)

頻率轉電壓感測器(FVC)的功用是，能隨著改變輸入頻率轉成成比例的輸出

電壓的改變(嚴格而言，鎖相迴路便屬於此類，它對於輸入頻率的改變而能得到

成比例的直流輸出電壓的改變)。在一類比頻率被轉換成類比電壓時，在工業上，

頻率轉電壓感測器提供了多方面的經濟方法。一些頻率轉電壓感測器的應用例子

是馬達速度控制和轉速計，電力線頻率控制和速度表等。

最簡單的頻率轉電壓感測器(FVC)之一是 LM2907(LM2917 功用也一樣)，此顆

IC 的裝置有四個主要部份：輸入的史密特觸發器、充電磊、運算放大器和輸出

驅動器。

圖 5.11 LM2907 接腳圖

其動作順序為，史密特觸發器轉換輸入訊號成方波並且加到充電磊，而且為了防

止錯誤觸發，會先給 15mA 的電流磁滯史密特觸發電壓，另外充電磊以 200μA

定電流交替的對 1C 電容器定速率地被充電至一重置電壓然後再放電。

在 1C 被充電期間，充電磊以 200μA 電流對 2C 電容器充電。充電電流與充電

45

時間和 1C 一樣。 2C 電容器，無論如何，充電到跨於 1C 端的兩倍平均電壓， 1R 電

阻器(連接至接腳 3)提供了 2C 放電路徑，在接腳 3的實際平均直流對地電壓是

iCC fCRVV 113 = (5.1)

其中， if 為輸入頻率(Hz)。

假設運算放大器的增益值為 1，則接腳 4的輸出(即頻率轉電壓之輸出電壓)應為

KfCRVV iCCo 11= (5.2)

其中，K為運算放大器的增益(通常 K值為 1)。

當用 LM2907 頻率轉電壓感測器時，我們須要知道輸入頻率可以達到多高，

來得到一比例的輸出電壓。可以利用下面方程式來算出輸入頻率的最大值

CC

iVC

If

1

2

(max) = (5.3)

其中， 2I 為電容器 1C 的充電定電流(經常為 200μA) 。

利用上面的公式，假設以 1000Hz 的輸入頻率和+12V 電源電壓的頻率轉電壓感測

器，可計算出輸出電壓，從方程式可得

VHzFKKfCRVV iCCo 61100001.0501211 =×××Ω×== µ

此電路在輸入 1000Hz 時，輸出為 6V 電壓。另外找出它的最大輸入頻率，以在

150μA 充電電流最小(最差情況)來計算

HzF

A

VC

If

CC

i 12501201.0

150

1

2

(max) =×

==µ

µ

2C 電容器的峰對峰值漣波電壓可由下列方程式算出：

)1(2 2

1

2

1

)(I

CfV

C

CVV iCCCC

ppr −×=− (5.4)

利用這個方程式可得漣波電壓如下

mVVA

FHz

F

F

I

CfV

C

CVV iCCCC

ppr 5.250255.0)150

01.01000121(

47.0

01.0

2

12)1(

2 2

1

2

1

)( ==××

−××=−×=−µ

µ

µ

µ

46

第第第第 6666 章章章章 結論結論結論結論

在製作這個專題的時候，由於題目牽涉到電子、電機，控制等多門學科，牽

涉廣泛，讓我們製作的過程中，遇到了許多的挫折。像每一個電路的測試，還有

撰寫程式方面，總是無法達到預期的動作，必須要重複地琢磨和摸索來解決問

題，使我們的進度數度停頓。不過在製作的過程中讓我們感到興趣的在於，整合

目前所擁有的資源再加以運用。從收集資料到電路的設計，最後到程式的設計，

所運用的知識和能力，大部分全都是大一至大三所累積下的知識，和一些基本的

理論。然後以此為基礎去做延伸發展，整個感覺就好像把大一至大三所學習到的

知識，再加以複習整合一遍。而且深深感覺到理論的基礎一定要打好，在未來實

作的方面才會比較順暢。

另外在製做此專題硬體方面的時候深深受到，知道是一回事，去做又是一回

事，許多事情，真的要實際去動手去做，光是書本上的理論值，還是不夠的，還

要有實際動手去做的精神，這樣除了會發現許多書本上面沒有辦法發現的問題和

知識，而且在實際動手做成功之後，所獲得的成就，也是書本上得不到的。還有

在硬體和軟體介面連接整合時，常常會遇到電流太小而無法推動硬體設備的問

題，除此，還要非常熟悉元件的功能與特性，如此一來才能在發生問題的時候，

知道問題的所在，加以修正及改良，借由實作，使得我們在處理硬體和軟體介面

連接整合的能力大大提升不少。

現今工業界中，馬達的控制應用十分廣泛，故馬達控制為工業上的基礎，在

製作了這個題目後，使我們對馬達的選用、Encoder 的量測以及馬達的控制都讓

我們學到了不少。還有思考如何掌握學得的知識應用在設計的程式與電路中，我

們不難發現 8051 單晶片結合了體積小、成本低、控制功能很強、使用方便、穩

定性高且發展及擴充能力佳…等各種優點，可以說是我們研究與應用最佳的題

材。

最後本實驗仍然有許多可以改善的地方，如果要做更精密的馬達控制，還要

47

加強硬體和軟體雙方面的改善才可以。在這次專題製作的過程中，著實遇到了不

少的困難及疑問，多次經由指導老師蘇文彬老師的解答與討論，十分感謝。同時，

同學之間互相交換心得，使製作過程中受益良多，在此一並致謝。

48

參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

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49

附錄一附錄一附錄一附錄一 馬達的選用馬達的選用馬達的選用馬達的選用