第 25 章 特殊電機 學習重點 1.了解步進電動機的原理、種類、構造、規格及速率控制。 2.了解伺服電動機的原理、種類及規格。 第 25 章　特殊電機 學習重點 1.了解步進電動機的原理、種類、構造、規格及速率控制。 2.了解伺服電動機的原理、種類及規格。 3.了解無刷式直流電動機的原理及構造。 4.了解超音波電動機的原理、構造及應用。 5.了解線性電動機的原理、構造、特性及應用。 6.了解線性可變差動變壓器的原理、構造及應用。 7.了解變頻器的原理與構造。 8.了解轉速及位置感測裝置的原理與構造。

25-1 步進電動機 25-2 伺服電動機 25-3 無刷式直流電動機 25-4 超音波電動機 25-5 線性電動機 25-6 線性可變差動變壓器 25-7 變頻器 25-8 轉速及位置感測裝置 本章彙總

25-1 步進電動機 25-1.1 定義 步進電動機（Step motor）是一部用電氣脈波信號控制其轉動角度的數位-類比轉換電動機。一般而言，其每輸入一脈衝的步進角度有1.5°、1.8°、2.0°、2.5°、5°、7.5°、15°及 30°等，而其每轉一圈的步進數有240、200、180、48等，甚至可高達 400 步進數者（步進角為 0.9°）。 25-1.2 適用 電腦周邊設備（如列表機的紙帶驅動）、工業計器、NC（數值控制）工具機、事務機器、xy（二軸）描圖器、記憶帶驅動、程序控制系統、印刷機紙帶輸送機械…等設備，均會用到步進電動機。 節目次

25-1.3 特性 與一般電動機比較，步進電動機具有不同的特性，如下所述： 1.旋轉的角度  與輸入脈波總數 NP 成正比。 2.在可響應的範圍內，轉速 n 與輸入脈波頻率 fp 成正比。 3.步進角度  的誤差量小，且無累積誤差，可採開迴路作精確的速度或定位的控制。 4.無電刷、維護容易、可靠性高。 5.靜止時有較高的慣性轉矩，易穩定在目前位置。

25-1.4 種類及構造 1.依定子繞組構造分類 (1)單繞組： 即定子的每個凸極由一條漆包線繞成。

(2)雙繞組： 即定子的每個凸極由兩條漆包線反相重疊繞成，分別加入電流，將產生相反極性的磁極，雙線繞組優於兩條單線繞組，是因為其繞組的電感較易相等，且磁極極性較易改變。

2.依轉子的構造分類 (1)可變磁阻（Variable reluctance）型： 利用定子與轉子間的磁阻變化，來產生驅動轉矩，其轉子由凸極型的整塊軟鋼或矽鋼片疊成，當定子的三相激磁繞組依序激磁其中一相定子繞組時，轉子會被已激磁的定子磁極吸引，依同方向轉動一個步進角 。因轉子僅為導磁材料（無磁極），故當定子繞組未激磁時，無法保持轉矩，利用此種低旋轉慣性，可選擇較多的轉子齒數 Tr 來降低步進角度 ，故適用於高速、精確的步進電動機控制，但其靜止扭矩較小。 圖例

(2)永久磁鐵（Permanent magnet）型： 圖例 利用定子與轉子間的磁極吸引力，來產生驅動轉矩，其轉子為圓筒型二磁極的永久磁鐵，定子為四相激磁繞組，當依序激磁其中一相定子繞組時，轉子的磁極會與已激磁的定子異性磁極相吸，致轉子將隨定子繞組於每次激磁時，朝同方向轉動一個步進角。因 PM 型轉子為永久磁鐵，故驅動轉矩大於 VR 型，且當定子繞組未激磁時，會有固定的保持轉矩，致使轉子無法選用太多磁極，致步進角度大，適用於較低精確度的步進電動機控制，且具高靜止扭矩。

(3)混合（Hybrid）型： 圖例 其定子結構與 VR 型相似，轉子取 VR 型及 PM 型的優點製成，即轉子的內層為軸向磁化的圓柱型永久磁鐵，表層由多數齒狀的鐵心所構成。其轉矩係利用轉子內層的永久磁鐵與激磁的定子磁極間相互吸引所產生，並藉由定子的激磁相數與轉子表層的多數凸齒來得到步進角，故適用於高轉矩、高精確度的定速或定位控制，是目前市面上步進電動機的主流。

3.依激磁方式分類 步進電動機每加入一個激磁脈波，便會驅使該電動機旋轉一個固定角度，以圖示的雙繞組 PM 型步進電動機為例，依激磁方式分別說明如下。

1 相激磁的轉矩小，阻尼效果又差，故容易失序且振動較大。 (1) 1 相激磁： 圖例 定子每次激磁 1 相線圈，轉子就隨之轉動一個步進角 。當依 A 相→B 相→A 相→B 相→A 相→…的順序激磁時，轉子將隨輸入定子的脈波激磁的順序而朝順時針方向轉動。 1 相激磁的轉矩小，阻尼效果又差，故容易失序且振動較大。

2 相激磁的轉矩大，阻尼效果佳，但激磁電流加倍，使步進電動機易過熱。 (2) 2 相激磁： 圖例 定子每次激磁 2 相線圈，轉子就隨之轉動一個步進角 。當依 A 相 B 相→B 相 A 相→A 相 B 相→B 相 A 相→A 相 B 相→…的順序激磁時，轉子將隨輸入定子的脈波激磁的順序而朝順時針方向轉動。 2 相激磁的轉矩大，阻尼效果佳，但激磁電流加倍，使步進電動機易過熱。

1-2 相激磁的解析度提高一倍，但過熱現象較 2 相激磁減少；當激磁脈波受雜訊干擾較大時，易造成失序狀況。 (3) 1-2 相激磁： 圖例 定子採 1 相激磁與 2 相激磁交互進行。當依 A 相→A 相 B 相→B 相→B 相 A 相→A 相→A 相 B 相→B 相→B 相 A 相→A 相→A 相 B 相→…的順序激磁時，轉子將隨每次的激磁再轉動半個步進角 。 1-2 相激磁的解析度提高一倍，但過熱現象較 2 相激磁減少；當激磁脈波受雜訊干擾較大時，易造成失序狀況。

25-1.5 步進電動機的動作原理 1.構造 以三相 VR 型步進電動機為例，其定子有 6 齒，轉子有 4 齒。

2.原理說明 (1)當 SA 開關 ON 時： A 相線圈激磁，轉子受磁極 A 吸引，停在如圖所示的位置。

(2)當 SB 開關 ON 時： B 相線圈激磁，轉子受磁極 B 吸引，逆時針方向轉動 30° 步進角，由左圖所示位置移至右圖所示位置。

(3)當 SC 開關 ON 時： C 相線圈激磁，轉子受磁極 C 吸引，朝逆時針方向再轉動 30° 步進角。當依序讓 A 相→B 相→C 相→A 相→…激磁，則轉子繼續維持逆時針方向轉動；若改依 C 相→B 相→A 相→C 相→…激磁，則轉子轉向改變，朝順時針方向轉動。

3.公式 由上述原理可知，步進角 、總旋轉角度 、定子的相數 m、轉子的齒數 Tr 、每轉步進數 Nr及輸入脈波總數 NP 間的關係式為：

　　　1 一部步進電動機，其定子有三相、轉子有 8 齒，其中三相定子為獨立激磁，現分別施給 A 相、B 相、C 相激磁脈波訊號，若激磁脈波順序為 ABCABC 時，試求：(1)該步進電動機的步進角 ；(2)轉子總旋轉角度 。 　 相數 m＝3相，轉子齒數 Tr＝8齒，激磁脈波輸入數 NP＝6 　 (1)步進角 ＝　　　　　＝15°／步 　 (2)總旋轉角度 ＝NP＝15° × 6＝90°

2 設步進電動機的定子相數為四相，轉子齒數為 18，若採半步驅動時，試求其運轉角度為若干？ ∵m ＝4相，Tr＝18齒 　　　2 設步進電動機的定子相數為四相，轉子齒數為 18，若採半步驅動時，試求其運轉角度為若干？ 　 ∵m ＝4相，Tr＝18齒 　 　　步進角 ＝　　　　　 ＝5°／步 　 ∴半步進角　　　 ＝2.5°

25-1.6 步進電動機的規格 1.額定電壓 Vn 2.額定電流 In 3.相數 m 其額定電壓一般在 24 伏特以下，有 5 伏特、12 伏特、24 伏特等。 2.額定電流 In 以相電流表示。 3.相數 m 一般可分為二相、四相、五相。二相較常用，價格便宜，驅動電路簡單。而四相、五相步進電動機的轉矩及解析度均較二相電動機優越，價格較高，適用於需精密控制的場合。

4.步進角 每輸入一個脈波信號時，步進電動機的轉子可轉動的特定角度，稱為步進角，亦可使用每一轉需多少步（Step）來表示，例如 ＝2.0°／步或 Nr＝180 步／轉。 5.脈波頻率 fp 因步進電動機的轉速和輸入脈波的頻率成正比，故脈波頻率（Pulse per second）即每秒的脈波數，以 pps 表示。

6.轉子轉速 nr 7.轉矩-轉速特性 即步進電動機每分鐘的轉速 nr（轉／分，rpm）。 圖例 一般以脈波頻率 fp＝10 pps 的啟動轉矩稱為最大轉矩 Tmax；無載時脈波頻率 fp 須小於無載最大自啟動頻率 fS，電動機才可順利啟動；當步進電動機帶動負載轉矩 TL 時，則啟動時加於步進電動機的脈波頻率 fp，必須小於有負載時的最大自啟動頻率 fLS 才可啟動。而啟動後，其脈波頻率 fp 可達有負載時的最大連續響應頻率 fLR，無載時的脈波頻率 fp 更可高達無載時最大連續響應頻率 fR。

　　　3 一部步進電動機的步進角為 2.0°，且每秒可前進 900 步，試求：(1)每轉的步進數 n；(2)每分鐘轉子的轉速 nr；(3)轉子的角速度 。 　 已知 ＝2.0°／步，NS＝900步／秒 　 (1)每轉步進數 Nr＝　　　　　 ＝180（步／轉） 　 (2)轉子每秒的轉速 ns＝　　　　　　　 ＝5（轉／秒） 　　 轉子每分鐘的轉速 nr＝60ns＝60 × 5＝300（轉／分） 　 (3)轉子角速度 ＝2ns＝2 × 5＝10（弳度／秒）

　　　4 設有一部三相可變磁阻式（VR）步進電動機的轉速為 600 轉／分，且其步進角為 7.5°，試求：(1)轉子的齒數 Tr；(2)控制脈衝的頻率 fp。 　 已知 m＝3相，nr＝600轉／分，＝7.5°／步 　 (1)∵＝ 　　 ∴轉子齒數 Tr＝　　　　　 ＝16（齒） 　 (2)每分鐘脈波數 NP＝nrn＝nrmTr＝600 × 3 × 16 　　　　　　　　　　　　　　　 ＝28800（脈衝／分） 　　 控制脈衝的頻率 fp＝　　　　　 ＝480（pps） 節目次

25-2 伺服電動機 25-2.1 定義 能藉由閉迴路控制系統接受控制信號，執行正轉、反轉、快轉、慢轉、急轉、急停…等動作的電動機，稱為伺服電動機（Servo motor）。 節目次

25-2.2 特性 伺服電動機之特性 電氣時間常數 的計算方式為 ＝ 。 特性 說明 大啟動轉矩 ＝　 。 特性 說明 大啟動轉矩 需經常啟動，故伺服電動機要有大啟動轉矩，才能快速啟動運轉。 反應快速 轉子慣性小才能快速反應，故轉子應設計為小電氣時間常數、小機械時間常數、轉子摩擦小、無制動特性及無效時間少。 線性控制佳 輸入控制信號與輸出轉矩或轉速的功率比值呈線性正比，且比值很大。 散熱良好 伺服電動機頻繁變速所生熱量因散熱良好，故溫升不大。 易於控制 正、反轉；快、慢轉；急轉、急停等動作能快速反應，易於控制。 伺服電動機： 正、反轉的控制 取決於電壓極性。快、慢轉的控制 取決於電壓大小。

25-2.3 分類 1.直流伺服電動機（D.C. servo motor） (1)構造及材質： ①定子：主磁極可由永久磁鐵或激磁線圈通電產生電磁鐵所構成，採高磁勢的永久磁鐵，具有體積小而輸出大的優點，為大部分直流伺服電動機所採用。 ②轉子：電樞繞組在轉子，電樞鐵心製成斜形槽或平滑式的無線槽。為達高反應度與易於控制的需求，轉子在構造上可分為有凹槽型鐵心、無凹槽型鐵心及無鐵心型。

　 A.有凹槽型鐵心： 轉子為減低轉動慣量，應採用細長造型。有凹槽型鐵心的電樞繞組熱容量較大，能耐大電流。此外，伺服電動機的磁極與電樞間的氣隙小，轉子易在高磁通量處發生膠著現象，致使控制電壓須由零增到某定值以上，轉子才能轉動，為減低膠著現象，電樞鐵心宜採斜形槽。

　 B.無凹槽型鐵心： 電樞繞組用膠帶或樹脂黏貼於細長型平滑鐵心上，因無凹槽的鐵心可更加縮小轉子直徑，致減低轉動慣量，且電樞繞組冷卻效果佳，電感減少，整流特性更好。

　 C.無鐵心型： 電樞只有導體而無鐵心，可使轉動慣量降至最低，其響應特性為直流伺服電動機中最佳。無鐵心型轉子可分為牽引杯型及圓盤型。圓盤型的電樞繞組係用沖床將銅板沖壓或蝕刻而成，不設整流片，由電刷直接接觸盤面的電樞導體。

(2)電路及動作原理： ①和他激式直流電動機的電路與動作原理相同。 ②因大部分伺服電動機的主磁極為永久磁鐵式（即主磁通 m 為定值），且轉速正比於電樞電壓 VA，轉矩 T 正比於電樞電流。 ③一般採用電樞電壓控制法來控制轉速或轉矩，而轉向則由 VA 的 正、負及零值決 定其正轉、停止 及反轉。

(3)控制系統： 伺服電動機常用來作位置控制，圖為直流伺服電動機反饋控制系統（Feedback control system）的方塊圖。

2.交流伺服電動機（A.C. servo motor） (1)分類： ①依構造分類：有永磁式的交流同步伺服電動機及鼠籠式轉子的感應伺服電動機兩種。 ②依相數分類：有二相式及三相式。

①構造：轉子為高電阻鼠籠式，定子則有控制繞組與激磁繞組兩個繞組。 (2)構造及動作原理： 　 以二相感應式伺服電動機為例。 ①構造：轉子為高電阻鼠籠式，定子則有控制繞組與激磁繞組兩個繞組。 ②電路：激磁繞組串聯電容器 C 後接交流電源 Vs，使其電流 Im 越前電源電壓 Vs 相位 90°；控制繞組接控制信號 Vc，其電流為 IC。 ③控制方式：可分為電壓控制、相位控制、電壓及相位混合控制等三種方式。 圖例

　 A.電壓控制： 圖例 將控制繞組與激磁繞組的相位差固定於 90°電機角時，可調整加到控制繞組的電壓 Vc 的大小，來控制二相伺服電動機的轉矩及轉速。轉矩 T 與控制電壓 Vc 成正比，即 T＝KVc。（K 為常數）

當固定控制繞組電壓 Vc 的大小，而調整控制繞組電流 IC 與激磁繞組電流 Im 的相位差時，可控制二相伺服電動機的轉矩、轉速及轉向。 　 B.相位控制： 圖例 當固定控制繞組電壓 Vc 的大小，而調整控制繞組電流 IC 與激磁繞組電流 Im 的相位差時，可控制二相伺服電動機的轉矩、轉速及轉向。 【註】：瞬時轉矩，TS：相位差 ＝90° 時的轉矩，：IC 與 Im 的相位差。 　 C.電壓及相位混合控制： 同時使用電壓控制與相位控制，為目前最通用的控制方法。 節目次

25-3 無刷式直流電動機 25-3.1 定義 以電子整流機替代直流電動機的換向片與電刷，可消除傳統直流電動機的換向器與電刷間的異常電弧與電氣雜訊，但仍保有直流電動機的良好控制特性，此種直流電動機稱為無刷式直流電動機（Brus-hless D.C. motor）。 節目次

25-3.2 構造 1.內轉子型 轉子磁極置於電動機內，定子的電樞繞組置於外圍，檢測轉子磁極位置的元件為霍爾元件、磁阻元件或光遮斷器，轉動慣量小，易控制，適用於定位控制的電動機。 2.外轉子型 定子的電樞繞組固定於電動機底部基座上，環形的轉子磁極置於電動機外圍，故直徑大，轉動慣量大，不宜頻繁啟動及停止，適用於定速控制的電動機。 3.扁平型 定子的電樞繞組與轉子磁極皆製成扁平型，定子線圈用蝕刻方法製成，定子與轉子間氣隙較寬，致磁阻較大，其線性控制較差。

25-3.3 動作原理 1.當永久磁鐵的轉子置於如圖所示之位置時，霍爾元件 HG 承受 S 極磁通，致其輸出端 A 產生正值霍爾電壓 VH，使電晶體 Q1 導通，此時電樞繞組 L1 流有 I1 電流，形成 S 極，吸引轉子的 N 極，故轉子朝逆時針方向轉動。

2.當轉子磁極 N 極移至與定子電樞繞組的極軸平行時，霍爾元件 HG 因無磁通穿透，致其輸出端 A 與 B 皆無霍爾電壓產生，電晶體 Q1 截止，此時電樞繞組 L1 因無電流流過而導致失磁，但轉子仍因慣性作用繼續旋轉，直到轉子 N 極靠近霍爾元件 HG，如圖所示。

3.當霍爾元件 HG 承受轉子 N 極磁通時，致輸出端 B 產生正值霍爾電壓 VH，使電晶體 Q2 導通，此時電樞繞組 L2 流有 I2 電流，形成 S 極，吸引轉子的 N 極，故轉子繼續朝箭頭方向逆時針轉動，如圖所示。

25-3.4 特性 25-3.5 應用 無刷式直流電動機的旋轉慣量小、效率高，不會產生雜訊，故可高速運轉，且使用壽命長，不需經常維修。 無刷式直流電動機應用於磁碟機、機械手臂或音響…等設備的定位或定速控制。目前無刷式直流電動機的電功率容量增加很多，故應用場合愈來愈廣泛，如產業機械、車輛…等皆可加以應用。 節目次

25-4 超音波電動機 25-4.1 定義 利用壓電陶瓷材料製成振動子，當加入激磁電壓時會發生變形，使其產生超音波頻率的機械振動或伸縮，再經摩擦驅動的機構設計，作為驅動源執行器（Actuator），令其產生旋轉運動或直線移動的設備，稱為超音波電動機（Ultrasonic wave motor） 當頻率大於 20 仟赫時，人耳 就無法感知，此 即稱為超音波頻率。 節目次

25-4.2 構造 圖(a)所示為行進波形超音波電動機的構造，由轉子環與定子環構成，定子製成齒槽環型，因齒槽可增加橢圓運動所產生的振幅，且摩擦所生的粉末可集中於槽中，壓電陶瓷材料則依 A 相與 B 相沿環次序排列，如圖(b)所示。

25-4.3 動作原理 利用壓電陶瓷材料激發彈性體的振動，將輸入相位差 90° 的高頻正弦波電源給 A 及 B 兩組壓電陶瓷片，即可激發黏貼於壓電陶瓷片上的彈性體產生橢圓形的運動軌跡，行進波若施加一個預壓於定子與轉子間，即提供一個正向壓力，則定子可藉由摩擦力驅動轉子轉動或移動。

25-4.4 特性 1.不會產生電磁波，適用於對電磁波要求嚴格的環境中。 2.可小型化、輕量化及構造簡單化。 3.具有低轉速、高扭力的特性，不需減速機構，便可直接驅動，且結構緊密，運轉極為安靜。 4.電動機以摩擦力驅動，故切斷電源後定子與轉子間由摩擦力保持高扭力的煞車功能。 5.動作頻率介於 20～200 仟赫，高於人耳所能聽到的頻率，故無噪音。

25-4.5 應用 照相機的透鏡驅動、中口徑望遠鏡、手錶、精密儀器、醫療設備、半導體製造設備、微機器人…等機構的驅動用動力，皆可選用超音波電動機。 節目次

25-5 線性電動機 25-5.1 定義 不需藉助齒條、齒輪或螺桿等傳動轉換機構，僅利用電動機的電磁轉矩，即可產生直線方向驅動力的非旋轉類電動機，稱為線性電動機（Linearmotor）。 25-5.2 分類 名稱 轉速控制特性 線性感應電動機（L.I.M.） 小型者採用電壓控制，大型者採用頻率控制。 線性同步電動機（L.S.M.） 線性直流電動機（L.D.M.） 採用伺服控制。 線性脈波電動機（L.P.M.） 採用脈波頻率控制。 線性振動電動機（L.O.M.） 節目次

25-5.3 動作原理 1.線性感應電動機 (1)構造： (2)動作原理： 分類 說明 依移動部分分類 可分為移動一次側（電樞）式及移動二次側（作用板）式兩種。 依一次側與二次側長度分類 可分為短一次型及短二次型兩種。 依作用板側的電樞繞組分類 單側有電樞繞組的單側式及兩側皆有電樞繞組的雙側式兩種。 (2)動作原理： 　 定子的三相繞組（一次側）加入三相電源時，產生直線方向的移動磁場，並使轉子的金屬板（二次側）感應電流，致轉子產生直線驅動轉矩。 圖例

(3)公式： 當電源頻率 f 變化一個週期時，磁場會移動兩個極距 YP，故磁場的同步速率 Vs、線性電動機的移動速度 Vr 及其轉差率 S 分別為：

(4)特性： 線性感應電動機的啟動轉矩大，具高轉差率；若速度增快，則轉矩會下降。 (5)缺點： 一次側與二次側繞組的間隙較大，需要很大的磁化電流，故功率因數低；且因具有端部效應，致使線性電動機的推力減少，並會造成電阻損增加及效率降低。 (6)適用： 在低速時可應用於輸送帶、電動門及布幕的移動，高速時則可應用於磁浮列車的驅動。

5 某線性感應電動機，其構造上有 8 極、12 公尺長，若加入 60 赫芝電源時，其轉差率為 10%，試求其作用板移動速率為若干公尺／秒？ 　　　5 某線性感應電動機，其構造上有 8 極、12 公尺長，若加入 60 赫芝電源時，其轉差率為 10%，試求其作用板移動速率為若干公尺／秒？ 　 ∵已知 P＝8極，ℓ＝12公尺，f＝60赫芝，S＝10% 　　 極距 YP＝　　　＝1.5（公尺／極） 　　 同步速率 Vs＝2YP f＝2 × 1.5 × 60＝180（公尺／秒） 　 ∴移動速率 Vr＝Vs(1－S)＝180 × (1－10%) 　　　　　　　　　　　　＝162（公尺／秒）

2.線性同步電動機 (1)構造： 　 線性同步電動機可視為旋轉同步電動機展開成線狀，兩者構造與動作原理相同，如圖所示。

可定速直線移動，效率較線性感應電動機佳。 (2)特性： 可定速直線移動，效率較線性感應電動機佳。 (3)缺點： 構造複雜，定子與轉子均需繞組，且需直流激磁電源，欲作變速控制則需另外用變頻器來改變電源頻率。 (4)適用： 磁浮列車的氣心式線性同步電動機。 節目次

25-6 線性可變差動變壓器 25-6.1 定義 為一具可將位移的距離類比為交流輸出電壓的變壓器，稱為線性可變差動變壓器（Linear variable diffe-rential transformer），簡稱LVDT。 25-6.2 構造 有一個一次繞組（Primary winding）和兩個二次繞組（Secondary winding），均繞在同一模子上，模子為中空設計，有一個可在其內部自由滑行的磁芯（Magnetic core）。 圖例 節目次

25-6.3 動作原理 1.當磁芯位於中心位置時 因磁芯位於模子中心，故對二次繞組 1 和二次繞組 2 而言，有相同的磁耦合，致兩組二次繞組的電壓相等，故其總和淨輸出電壓 Vo＝0 伏特。

2.當磁芯由中心位置右移時 二次繞組 2 的電壓 V2 大於二次繞組 1 的電壓 V1，致 Vo 與 V2 同相位，故 Vo 的大小代表距中心位置的位移量，且 Vo 的相位代表位移的方向。

3.當磁芯由中心位置左移時 二次繞組 1 的電壓 V1 大於二次繞組 2 的電壓 V2，致 Vo 與 V1 同相位，故 Vo 的大小代表距中心位置的位移量，且 Vo 的相位代表位移的方向。

25-6.4 規格 LVDT 的位移範圍大約為 ± 0.5～± 15 公分，若 LVDT 被用來測機械位移大於 1 吋時，則須與適當的機械比例裝置（齒輪）配合來使用。 LVDT 的輸入電壓設計為小於10伏特的交流電壓，而其滿額輸出電壓範圍（對稱的正負電壓）是可以調整由 0.5～10 伏特的線性電壓之間，內部有振盪及整流濾波等電路。 節目次

25-7 變頻器 25-7.1 定義及功能 利用整流器（Rectifier）將交流電整流成直流電，再將該直流電經由變流器（Converter），轉換為可變頻率及可變交流電壓的電力電子裝置，即稱為變頻器（Inverter）。經由頻率或電壓的改變，可應用於不斷電系統（Uninterruptiblepower supply，UPS）、太陽能轉換系統及感應電動機的速率控制。 節目次

25-7.2 構造 1.整流器 (1)構造： 可將交流電源轉換為直流電源的電路元件，主要構造為由二極體所組成的三相全波橋式整流器電路和可減少輸出漣波的電感濾波器。 圖例

(2)缺點及改善方式： 圖例 ①缺點：其輸出電壓準位為固定值，如欲改善該問題，可用 SCR 取代電路中的二極體，其平均直流輸出電壓的準位可由 SCR 閘極觸發角度來控制。 ②改善方式：當 SCR 不被觸發時，則輸出電壓 Vo＝0 伏特；當 SCR 在每個半週時被觸發，則其輸出與由二極體組成的三相全波整流器相同，若觸發角可於 0°～180° 之間，則輸出電壓 Vo 將介於 0 伏特到最大值之間。使用 SCR 取代二極體的整流電路，其輸出會有更多的諧波，故整流器輸出端須加電感器及電容器的濾波器，使輸出直流更平滑。

2.變流器 (1)原理： 主要功能是將固定的直流電壓轉換為可變頻率及可變振幅的交流電壓，以一部三相換流器驅動 Y 形接線感應電動機為例，係利用電路上六個 SCR 來完成，其輸出的線間電壓 Vab＝Va－Vb＝ 　　　　　　 ＝E。 圖例

(2)說明： 而其波形頻率的改變，可由觸發電路加至六個 SCR 閘極脈波速率決定，當閘極脈波的時間間隔減少時，整個週期輸出電壓波形的時間會縮短，故頻率增加，電動機速度加快；反之，若閘極脈波間的時間間隔加大，則電動機速度會減慢。

25-7.3 變頻器輸出電壓隨頻率變化的調整方法 1.變頻器輸出電壓須隨頻率變化調整的原因 (1)原理： 當使用變頻器控制電動機轉速時，為了讓電動機在不同轉速下均能運轉良好，電動機定子的磁場強度須保持一定，而定子磁化電流決定定子磁場的大小。

該磁化電流如同變壓器二次繞組無載時，流經一次繞組的電流，故由感應電動機的等效電路得 (2)公式： 該磁化電流如同變壓器二次繞組無載時，流經一次繞組的電流，故由感應電動機的等效電路得 知，該磁化電流 Im＝　 ，而 Xm＝2 f Lm，即： 【註】V1P：定子外加電源的相電壓，Xm：定子每相激磁電抗。

(3)說明： 因為　　 定值，故由公式 25-4 可知，唯有維持 定值的　　 比，才能維持磁化電流 Im 成定值。 若調整頻率 f 作速率控制，需同時且同比例改變電源電壓 V1P，就能在不改變轉矩的狀況下來作速率控制。

2.調整方法 圖例 (1)定轉矩區域（Constant torque region）： 當頻率在 0～60 赫芝的範圍內調整時，輸出電壓與頻率維持線性關係，故電動機工作於該區域時會產生固定轉矩，而該轉矩與電動機加 60 赫芝電源頻率時的轉矩相同。 (2)定功率區域（Constant-power region）： 當電源頻率 f 大於 60 赫芝以上時，電動機的電源電壓受制電動機的額定電壓 Vn（避免絕緣被破壞），電源電壓 V1P 無法再隨 f 增加而增加，故當轉矩下降而轉速增加時，可維持機械功率不變。 節目次

25-8 轉速及位置感測裝置 25-8.1 轉速感測裝置 1.霍爾發電機轉速感測器 (1)霍爾效應： 一個 P 型半導體材料加上電源後，其載流體正電荷由接電源之正端，經 P 型半導體流向電源的負端，且正電荷載子均勻分布於半導體中；若將該 P 型半導體置於磁場中，依據佛來銘左手定則得知，該正電荷會偏向上層而形成電位差，此電位差稱為霍爾電壓 VH，這種現象則稱為霍爾效應。 圖例 節目次

(2)公式： 代號 意義 單位 VH 霍爾電壓 伏特（V） I 電流 安培（A） B 磁場磁通密度 韋伯／公尺2 （Wb/m2） K 常數項，視半導體材質的厚度及電阻係數而定

(3)應用： 因霍爾電壓太小，故實際運用時應配合高增益的電壓放大器。霍爾發電機有許多優點，如為固態裝置時，無可動部分，且無接點磨損的問題，又不會受灰塵、油或振動的影響。 (4)原理： 圖例 霍爾發電機可應用於旋轉裝置的轉速感測，有一圓盤附加於電動機的轉軸上，其周圍為交替排列的 N 及 S 磁極，若將霍爾感測器置於圓盤附近，則當轉軸旋轉時，圓盤上的交替磁極通過霍爾感測器，會轉換產生交流電壓，因該電壓波形由旋轉圓盤產生，故其頻率 f 正比於圓盤上的磁極數 P 及電動機的旋轉速度 n。

2.直流發電機轉速感測器 (1)構造： 直流轉速發電機實際上是一部直流發電機，為了減少應電勢的漣波，須採用較一般直流發電機更多的電樞槽；且為使磁場分布更均勻，最好使用永久磁鐵；其輸出電壓 VG 是經由換向片整流再由電刷取出的電樞應電勢，即 VG＝Knm，其中 n 為轉速，m 為磁通量，K 為依轉子長度及轉子直徑等因素所決定的比例常數。

(2)原理： 當磁通量設定為定值（永久磁鐵）時，其產生的應電勢 VG 與發電機轉速 n 成正比。運用時，將轉速發電機的轉軸和欲量取角速度的轉軸相連，再將輸出應電勢接到一只電壓表上，電表上刻度以 rpm（轉／分）標示，即可精確地讀出該轉軸的角速度。

3.磁阻器轉速感測器 (1)構造： 利用有缺口的亞鐵金屬圓盤做成的磁阻器附加於轉軸上，而該圓盤會將永久磁鐵與霍爾感測器隔開，如圖所示。

(2)原理： 當亞鐵金屬圓盤的缺口位於感測器與永久磁場中間時，霍爾發電機會產生應電勢；而當亞鐵金屬圓盤的實心部分位於感測器與磁鐵中間時，感測器無法感測到磁場，故霍爾發電機所產生的應電勢明顯減少；但由於磁場極性不變，故霍爾發電機產生的應電勢為脈動直流，該脈動直流每秒所產生的脈衝數 np 正比於磁阻器的缺口數 N 與轉軸的每秒速度 s，即：

25-8.2 位置感測器 1.光位置編碼器（Optical position encoder） (1)構造： 由光電盤、光源、光接收器、驅動大小齒輪、解碼電路、數位二進制計數器等元件所組成。利用測量軸上的大齒輪連接到光電盤上的小齒輪，令齒輪比 Kc 等於轉動比 Km，即測量軸轉一圈，光電盤即轉 Kc 圈。光電盤有 N 個細縫，兩側分別裝有發光元件（光源）和受光元件（光接收器），當光電盤轉動時，光 透過光電盤的細縫，驅使光 接收器動作，產生一串電脈 衝。 圖例 齒輪比 Kc＝ 大齒齒輪數／小 齒齒輪數。

(2)原理： 光接收器每產生一個脈衝，就代表光電盤轉動一個角度 ，即： 若將該脈衝經過解碼電路後，送到二進制計數器，就可得到對應的計數值。 將測量轉軸的轉動量 T，經大、小齒輪後驅動光電盤，產生相對應的脈衝，再將該脈衝經解碼電路後，輸入二進制計數器，就可得到代表轉動距離的脈衝計數值 NP。

　　　6 有一個光位置編碼器，其光電盤上有 N＝24 個細縫，而大小齒輪的轉動比為 Kc＝Km＝10，試求：(1)每一脈衝光電盤轉動的角度 ；(2)設測量轉軸轉動 T＝120°，其所對應的二進位計數值；(3)設計數器為 8 位元，則所能測得的最大轉動角 max。 　 已知細縫數 N＝24個，轉動比 Km＝齒輪比 Kc＝10 　 (1)每一脈衝光電盤轉動角度 ＝　　　　　　＝1.5°

　 (2)當測量轉軸總轉動量 T＝120° 時，其 Vpc 產生的脈衝數 NP 為 　　 故該計數器的計數值為十進制的 80 　　 或二進制的 NP＝80(10)＝120(8)＝01010000(2) 　 (3) 8 位元計數器的最大值是二進制的 11111111(2)，或是十進制的 255(10)，故最大轉動角度 max 為 　　 max＝NP(max) ＝255 × 1.5°＝382.5°

2.霍爾發電機位置感測器 (1)原理： 如圖所示，將霍爾感測器置於待測的可動設備上，且裝置於永久磁鐵的附近，當感測器感測到磁場的存在時，即有一霍爾電壓產生，可測知該待測可動設備的位置，其操作類似限制開關。 (2)特性： 位置感測器因無接點的磨 損問題，故能在機器上重 複操作百萬次以上。

3.電位計（Potentiometer）感測器 (1)構造： 將電位計固定於待測電動機的軸上，再將 Vs＝10 伏特的直流電壓跨接於電位計的兩端，即可將角位移或線性移動轉換成電壓量。

(2)應用： 電位計可單獨使用，亦可和機械感測器配合使用，將機械運動量轉換為電氣信號。電位計的構造就是一個上面有可滑動接頭的電阻器，滑動接頭可在電阻器上任意移動或停留，如此便可測出輸出電壓 Vo 相對應的待測電動機旋轉角度 。即： 代號 意義 單位 max 電位計可測的最大旋轉角度 度（°） Vs 電位計的電源電壓 伏特（V）  待測電動機的旋轉角度 Vo 電位計的輸出電壓

　　　7 有一電位計的轉動範圍為 350°，且電源供給 12 伏特的直流電壓，試求：(1)當轉動角度為 140°，所對應的輸出電壓 Vo 為若干？(2)設輸出電壓 Vo＝7.2 伏特時，其所對應的轉動角度為若干？ 　 已知電源電壓 Vs＝12伏特，最大旋轉角度 max＝350° 　 (1)當電位計轉動角度 ＝140°時 　　 對應輸出電壓 Vo＝　　　　　　　 ＝ 4.8（伏特） 　 (2)當輸出電壓 Vo＝7.2伏特時 　　電位計對應旋轉角度 ＝　　　　　　　　＝210° 節目次

本章彙總 1.步進電動機是以數位脈波信號驅動的電動機，每一個輸入脈波信號可以使轉子轉動一個步進角，即  ＝ 。 ＝　　。 2.步進電動機可依轉子的構造分為：可變磁阻型（VR）、永久磁鐵型（PM）、混合型（HB）等三種。 3.步進電動機控制繞組依激磁方式可分為1相激磁、2相激磁、1-2相激磁三種。 節目次

本章彙總 4.步進電動機的特性有： (1)轉子偏轉角度誤差不會累積。 (2)控制方式使用開迴路控制。 (3)靜止時保持轉矩大。 (4)無電刷致維護容易，可靠性高。 (5)旋轉角度  與輸入脈波總數 NP 成正比，即 ＝NP。 (6)在可反應範圍內，轉子轉速 nr 與輸入脈波的頻率 fp 成正比。 (7)變更定子繞組激磁順序，可控制轉向。 節目次

本章彙總 5.能接受控制信號來執行正、反轉，快、慢轉，急停、急轉等動作的電動機，稱為伺服電動機。 6.伺服電動機應具備的特性： (1)高啟動轉矩。 (2)轉子慣性小，反應速度快。 (3)線性控制佳。 (4)冷卻、散熱良好。 (5)能正轉、反轉。 節目次

本章彙總 7.伺服電動機有直流伺服電動機及交流伺服電動機兩種。 8.伺服電動機常作為位置控制，採用閉迴路控制系統。 9.直流伺服電動機的轉向由控制信號的極性決定，而轉速或轉矩的控制採用電樞電壓調控法。 10.直流伺服電動機的定子採高磁勢的永久磁鐵，而轉子設置電樞繞組，構造上可分為有凹槽型鐵心、無凹槽型鐵心、無鐵心型三種。電樞鐵心採斜形槽可減低膠著現象。 節目次

本章彙總 11.二相伺服電動機為交流伺服電動機，其構造有一鼠籠式轉子，而定子有控制繞組及激磁繞組。其中激磁繞組串聯電容器再接交流電源，控制繞組接控制信號。 12.交流伺服電動機主要有同步電動機型與感應電動機型兩種。 13.無刷式電動機即是以電子整流機，替代傳統直流電動機的換向片與電刷。 14.無刷式電動機用來檢測轉子磁極位置的元件，主要為霍爾元件，或光遮斷器、磁阻元件等。 節目次

本章彙總 15.無刷式電動機應用於磁碟機、音響設備、機械手臂…等的定位或定速控制。 16.線性電動機是產生直線方向驅動力的非旋轉類電動機。其移動磁場的同步轉速 Vs＝2YP f，而轉差 　 率為 S＝　　　　　　。 17.線性電動機可分為線性感應電動機、線性同步電動機、線性直流電動機、線性脈波電動機、線性振動電動機。 節目次

本章彙總 18.利用整流器將交流電整流且濾波成直流電，再將該直流電經由換流器轉換為可變頻率及可變交流電壓值的電力電子裝置，稱為變頻器。 19.利用變頻器調整供電頻率來作速率控制，須同時維持輸出電壓與頻率呈線性改變，亦可維持定轉矩的速率控制。 20. P 型半導體兩端加上直流電源置於磁場中，其電洞（正電荷）載流體會由電源正端流向負端，此時受磁場作用會偏向一側，使半導體兩側形成電位差，該電位差稱為霍爾電壓 VH＝KBI，這種現象稱為霍爾效應。 節目次

本章彙總 21.轉速感測裝置可分成霍爾發電機轉速感測器、直流發電機轉速感測器及磁阻器轉速感測器三種。 22.具有 N 個缺口的磁阻器轉速感測器，利用霍爾發電機每秒所產生的脈衝數 np，來測定待測轉軸的每秒轉速 s，其關係為 np＝Ns。 23.位置感測器有：光位置編碼器、霍爾發電機位置感測器及電位計感測器。 節目次

本章彙總 24.光位置編碼器的大小齒輪比為 Kc，而光電盤有 N 個細縫，當光接收器每產生一個脈衝則表示待測轉軸轉動角度為 ，設 NP 表待測轉軸轉 T 角度時，光接收器所需產生的脈衝數，其關係為  　 ＝　　 ，而 T＝NP＝　　　 。 25.電位計的電源電壓為 Vs，其總旋轉角度為 max，則其旋轉  角時所對應的電壓為 Vo，則 Vo＝ 　 　　　。 節目次

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VR型步進電動機 BACK

PM型步進電動機 BACK

混合型步進電動機 BACK

1相激磁 BACK

2相激磁 BACK

1-2相激磁 BACK

步進電動機的轉矩-轉速特性曲線 BACK

二相伺服電動機電路圖 BACK

二相伺服電動機的控制 轉速-轉矩特性 BACK

二相伺服電動機的控制 轉矩-控制量特性 BACK

線性感應電動機的構造及原理 BACK

線性可變差動變壓器構造圖 BACK

三相全波整流器電路圖和電壓波形 BACK

三相變壓整流器 BACK

使用SCR的三相電源變流器- 驅動Y接電動機 BACK

改變頻率來控速時的電壓與 頻率關係 BACK

霍爾效應示意圖 BACK

霍爾感測器作轉速感測 BACK

光位置感測器 BACK