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研究生:張峰清
研究生(外文):CHANG,FENG-CHING
論文名稱:改良式馬達轉速量測研究應用於電動自行車之速度控制
論文名稱(外文):An Improvement of Rotational Speed Measurement for Speed Control of Motorized Bicycle
指導教授:歐金池
指導教授(外文):OU,CHIN-CHIH
口試委員:莊賦祥任才俊王松浩
口試委員(外文):JUANG,FUH-SHYANGREN,TSAI-JIUNWANG,SONG-HAO
口試日期:2016-06-11
學位類別:碩士
校院名稱:崑山科技大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:轉速量測電動自行車速度控制
外文關鍵詞:Rotational Speed MeasurementElectric VehicleMotorized Bicycle
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本文設計一組僅需利用兩個脈波區間即可完成一次旋轉速度的量測、不受限於微處理器之計數器位元數不足而發生計數溢位、低成本且容易製作與擴充的轉速量測裝置。實現了馬達轉速介於10~1600rpm時可縮短量測時間小於375ms以及降低測量相對誤差小於0.085%;特別是在較低轉速介於10~199rpm時,轉軸只需旋轉π/8角度後即可完成一次旋轉速度的量測;微處理器(89S51)程式中設計有兩種自動切換之量測模式(π/8、π)用以改善在較高轉速時(200~1600rpm)的測量誤差。將此轉速量測裝置裝設於自行車上,經靜態及路上實測,確實適合應用在電動自行車上,可以精確量測到即時的車輛轉速。
The purpose of this research is to develop an improved rotational speed measuring device for low-speed electric vehicles and then test it on a bicycle. The distinctive features of this measuring device are the time period within two pulses could be utilized for completing one time rotation speed measurement, the number of counter bits of microprocessor is not limited to the data overflow when motor revolution is slower, low-cost, easily to manufacture and expand.

Two measuring modes π/8 and π can be switched automatically in this system which is based on a microprocessor (89S51). Thanks to this design, not only the measuring time could be shortened to less than 375ms but also the relative measurement error could be reduced to less than 0.085% simultaneously with motor speed between 10~1600rpm. Various components and techniques such as well known IR diode and photo-transistor, ADC, DAC, Linear Ramp waveform generator, PWM, H-BRIDGE driver module, LCM and PI controller were utilized.

The test results and overall data in this project show that this improved rotational speed measuring device had an excellent stability performance and could be applied to motorized bicycle.
中文摘要 --------------------------------------------------------------------- i
英文摘要 --------------------------------------------------------------------- ii
誌謝 --------------------------------------------------------------------- iii
目錄 --------------------------------------------------------------------- iv
表目錄 --------------------------------------------------------------------- vi
圖目錄 --------------------------------------------------------------------- vii
符號說明 --------------------------------------------------------------------- x
一、 緒論--------------------------------------------------------------- 1
1.1 前言--------------------------------------------------------------- 1
1.2 研究背景--------------------------------------------------------- 4
1.2.1 能源趨勢與環保潮流------------------------------------------ 4
1.2.2 電動自行車節能減碳效益------------------------------------ 5
1.2.3 行政院環保署低污染車輛補助成果------------------------ 5
1.2.4 各國電動自行車現況概述 (台、日、歐、中)----------- 8
(1) 台灣--------------------------------------------------------------- 8
(2) 日本--------------------------------------------------------------- 10
(3) 歐洲國家--------------------------------------------------------- 10
(4) 中國--------------------------------------------------------------- 11
1.2.5 馬達、電池------------------------------------------------------ 12
1.2.6 自行車輪胎規格------------------------------------------------ 12
1.3 研究動機與目的------------------------------------------------ 13
二、 轉速量測法------------------------------------------------------ 16
2.1 計頻式轉速量測法 (Measuring frequency method)------ 16
2.2 週期式轉速量測法 (Measuring time period method)---- 17
2.3 計頻式 / 週期式轉速量測法優劣整理與適用性-------- 18
2.4 改良式轉速量測法--------------------------------------------- 18
2.5 改良式轉速量測法特點整理--------------------------------- 20
三、 直流馬達之正反轉、速度調變與閉迴路速度控制------- 21
3.1 直流馬達之正反轉驅動--------------------------------------- 21
3.2 直流馬達之速度調變------------------------------------------ 23
3.3 直流馬達之閉迴路速度控制--------------------------------- 25
四、 機構、硬體電路設計與製作--------------------------------- 32
4.1 硬體系統架構規劃--------------------------------------------- 32
4.2 輪轂馬達--------------------------------------------------------- 32
4.3 轉速偵測裝置--------------------------------------------------- 33
4.4 微處理器U1~U3 功能規劃(Function Block)------------- 37
4.5 微處理器U1功能說明---------------------------------------- 39
4.6 微處理器U2功能說明---------------------------------------- 40
4.7 微處理器U3功能說明---------------------------------------- 42
4.8 加油把手A/D轉換功能-------------------------------------- 44
4.9 D/A轉換功能--------------------------------------------------- 45
4.10 LCD顯示器模組(LCM)--------------------------------------- 47
4.11 電源24V/12V/5V/6V/-5V功能說明------------------------ 49
4.12 直流馬達驅動模組--------------------------------------------- 50
4.13 電池充電器------------------------------------------------------ 53
五、 系統軟體架構--------------------------------------------------- 54
5.1 微處理器U1 程式規劃--------------------------------------- 54
5.2 微處理器U1 程式設計--------------------------------------- 56
5.3 微處理器U2 程式規劃--------------------------------------- 59
5.4 微處理器U2 程式設計--------------------------------------- 59
5.5 微處理器U3 程式規劃--------------------------------------- 62
5.6 微處理器U3 程式設計--------------------------------------- 62
六、 研究結果與討論------------------------------------------------ 72
6.1 研究結果之相片------------------------------------------------ 72
6.2 轉速量測成果討論--------------------------------------------- 74
6.3 量測時間與測量誤差探討------------------------------------ 76
6.4 控制系統之收斂速度實測結果------------------------------ 80
七、 結論--------------------------------------------------------------- 81
參考文獻 --------------------------------------------------------------------- 82
附錄一 道路交通管理處罰條例 第 69、69-1 條規定----------- 85
附錄二 新購電動自行車補助辦法------------------------------------ 86
附錄三 電動輔助自行車審驗合格標章格式------------------------ 91
附錄四 電動自行車審驗合格標章格式------------------------------ 92
附錄五 電動(輔助)自行車、小型輕型電動機車及普通輕型電
動機車差異------------------------------------------------------ 93
附錄六 T(π)、T(π/8)、T(π/32)之轉速與量測時間關係曲線及
轉速與測量相對誤差關係曲線------------------------------ 94
自傳 --------------------------------------------------------------------- 95

[1] WGI of the IPCC(2001), “Summary for Policymakers,” Climate Change 2001: The Scientific Basis, Cambridge University, United Kingdom, pp. 1-20. Retrieved from (2016.03.11):http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/pdf/WG1_TAR-FRONT.pdf
[2] 沈姍姍、何雅玲(2004.05.25),“溫室效應:造成全球暖化衝擊生態環境”,社團法人台灣環境資訊協會環境資訊中心電子報。檢自(2016.03.11):
http://e-info.org.tw/column/eccpda/2004/ec04052501.htm
[3] 新北市低碳生活網\低碳生活推廣\電動機車\電動機車優點。檢自(2016.03.12):http://lowcarbon.epd.ntpc.gov.tw/dispPageBox/Tpclc/TpcCp.aspx?ddsPageID=TPCLCH8&
[4] 蔡正樑(民102.11.28),“電動自行車講義”。
檢自(2016.03.20):web2.ssvs.tn.edu.tw/aegt/102年/電動自行車講義.ppt
[5] 行政院環境保護署低污染車輛補助資訊網\歷年查詢。檢自(2016.03.11): http://mobile.epa.gov.tw/lowpoll/YearsResult.aspx?Menu=MenuResult
[6] “道路交通管理處罰條例(民國104年05月20日)”,全國法規資料庫\法規檢索。檢自(2016.03.17):http://law.moj.gov.tw/Law/LawSearchLaw.aspx
[7] 游清淵(2014.01.05),“明年起 電動自行車須考照上路”,台灣醒報。 檢自(2016.03.20):https://anntw.com/articles/20140105-qx8m
[8] “道路交通安全規則(民國104年12月29日)”,全國法規資料庫\法規檢索。檢自(2016.03.20):http://law.moj.gov.tw/Law/LawSearchLaw.aspx
[9] “電動輔助自行車及電動自行車型式安全審驗管理辦法(民國98年12月17日)”,全國法規資料庫\法規檢索。
檢自(2016.03.17):http://law.moj.gov.tw/Law/LawSearchLaw.aspx

[10] “全球主要國家電動自行車發展概況”,電動車輛產業資訊專刊,2005年11月刊,第2-7頁。檢自(2016.03.19):
http://ebooks.lib.ntu.edu.tw/1_file/moeaidb/013515/200612141755.pdf
[11] 程鏡明(2015.03.19),“BESV智慧單車 騎動綠色時尚”,中時電子報。
檢自(2016.03.21):http://www.chinatimes.com/newspapers/20150319000189-260204
[12] 楊模樺(2013),“談電動自行車市場與技術發展現況”,輪彥國際有限公司,自行車市場快訊 ,NO.149,第156-157頁。檢自(2016.03.23):
http://www.biketaiwan.com/resource/article/3/166/article-38.pdf
[13] 經濟部/駐法蘭克福辦事處經濟組(2015.03.31),“德國電動自行車銷售量大增”,經貿透視雙週刊,(資料來源:德國世界報,商情編號:065,2015.03.18)。 檢自(2016.03.26)::http://www.trademag.org.tw/News.asp?id=660754
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[19] 黃冠霖,“無刷直流馬達驅動器之設計與製作”,碩士論文,電機工程學系,逢甲大學,民98 年6 月。
[20] J. G. Ziegler and N. B. Nichols, “Optimum Settings for Automatic Controller, ” Trans. ASME, vol. 64, 1942, pp. 759-768.
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[25] 德源科技。檢自(2015.10.01):http://twarm.com/commerce/product_info.php?products_id=6213
[26] “VNH3SP30,”ST Microelectronics, 2004.
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[27] 麻新電子股份有限公司。檢自(2015.11.22):http://www.mashin.com.tw/front/bin/ptdetail.phtml?Part=pro_Bfeb001&Category=3363


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