馬達(dá)及其性能探討

楊雪君

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

馬達(dá)種類依照使用電源可分成直流馬達(dá)(DC Motor)與交流馬達(dá)(AC Motor)兩大類，再以控制方式、啟動方式與繞組方式分類則可分成步進(jìn)馬達(dá)(Stepping Motor)、伺服馬達(dá)(Servo Motor)、無刷馬達(dá)(霍爾馬達(dá))、單相交流馬達(dá)、三相感應(yīng)馬達(dá)、串激式直流馬達(dá)、分激式直流馬達(dá)、與復(fù)激式直流馬達(dá)等。其中無刷馬達(dá)又稱作直流伺服馬達(dá)(DC Servo Motor)，直流伺服馬達(dá)之特性與直流馬達(dá)相似，兩者的差異在于直流伺服馬達(dá)用角編碼器(Encoder)與轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)(TG)將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、扭矩等物檢出，再用控制器將回授訊號作運(yùn)算，達(dá)到控制直流伺服馬達(dá)的輸出特性，同時(shí)用霍爾元件取代電刷，因此在結(jié)構(gòu)上直流伺服馬達(dá)除了感測器部分以外，其余均與一般的電動機(jī)相仿。

雖然電動機(jī)的種類相當(dāng)多，過各種電動機(jī)的基本操作原相同，都是用電流通過定子產(chǎn)生磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子也通上電流時(shí)由于割定子所產(chǎn)生的磁線而生成旋轉(zhuǎn)扭矩造成電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。假設(shè)轉(zhuǎn)子之繞組只有一組線圈時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈通上電流時(shí)由于割定子所產(chǎn)生的磁線而生成旋轉(zhuǎn)扭矩，致使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，以圖1而言，定子的磁線由左至右，而轉(zhuǎn)子的電流方向?yàn)橛捎曳搅魅胱蠓搅鞒?，因此生成的旋轉(zhuǎn)扭矩使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖1 轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

直流馬達(dá)基本構(gòu)造均與圖1類似，其他種類電動機(jī)的基本構(gòu)造則只是在定子部分有所差異，例如交流感應(yīng)電動機(jī)由于交流電源有相角差之緣故，因此定子的磁場由固定磁場變成旋轉(zhuǎn)磁場，此外場繞組(定子)的接線方法也有所謂Y接法、Δ接法、或是Y－Δ接法。

一般的電動機(jī)在構(gòu)造上可以分成五個(gè)部分:

1.電樞(Armature)或轉(zhuǎn)子(Rotor):為馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的部分，材質(zhì)為永久磁鐵、線圈(外接電源)、導(dǎo)線(無外接電源)或特殊形狀之導(dǎo)磁材料。

2.場繞組(Field)或定子(Stator):材質(zhì)為永久磁鐵或是線圈(外接電源)。

3.環(huán)(Slip Ring)或換向器(Commutator，如直流馬達(dá)之碳刷):連接轉(zhuǎn)子繞線至外部換向器用于改變電樞繞線之電流方向，使用永久磁鐵為轉(zhuǎn)子材質(zhì)的馬達(dá)則無需滑環(huán)或換向器。

4.軸承(Bearing):可使用滾珠、滾針、滾柱、含油自潤軸承，主要提供轉(zhuǎn)子穩(wěn)固的支撐。

5.馬達(dá)控制器(Motor Controller):包含控制馬達(dá)的輸出扭矩、速度或轉(zhuǎn)角，以及大型馬達(dá)起動、停止之順序控制?？刂破鞣N類也相當(dāng)多，如單相交流馬達(dá)使用的電容分相啟動器，直流馬達(dá)使用的功控制器、變頻器、或是伺服馬達(dá)控制器等，是屬于馬達(dá)控制器。

1 直流馬達(dá)

1.1 直流馬達(dá)控制原

要控制直流馬達(dá)的啟動以及停止，可使用圖2所示的共射極達(dá)靈頓電來完成，當(dāng)輸入端ML_ONOFF=1時(shí)，電晶體Q3、Q8飽和導(dǎo)通，C點(diǎn)約為飽和電壓0.3V，因此馬達(dá)M2啟動，顯示燈L1亮;反之，當(dāng)輸入端 ML_ONOFF=0時(shí)，電晶體 Q3、Q8截止通，C點(diǎn)浮接，因此馬達(dá)停止，L1不亮。當(dāng)輸入ML_ONOFF=1馬達(dá)轉(zhuǎn)動時(shí)，電源VDD向馬達(dá)線圈充電，在線圈上儲存能量，根據(jù)楞次定理，當(dāng)ML_ONOFF=0，C點(diǎn)浮接時(shí)，在線圈二端將出現(xiàn)一逆向電動勢VR。其中N為馬達(dá)的線圈匝數(shù)。此負(fù)電壓加上VDD，將在C點(diǎn)形成極高的電壓，非常容對電晶體Q3、Q8造成破壞打穿，因此，為保護(hù)電晶體免受馬達(dá)線圈逆向電動勢的破壞，可在M2兩端接二極體D10，當(dāng)電晶體截止，逆向電動勢出現(xiàn)時(shí)可予以吸收掉，而達(dá)到保護(hù)作用。

1.2 直流馬達(dá)特性曲線與選用方式

圖1為12伏特直流馬達(dá)特性曲線圖，橫軸為輸出轉(zhuǎn)矩，縱軸則分別為轉(zhuǎn)速、電流以及效率與輸出功率。

直流馬達(dá)與其他馬達(dá)最大的差異在于其轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩與電流－轉(zhuǎn)矩特性均為線性關(guān)系，因此在一般需要做到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制的場合中，若控制精度不需很高的情況下，通常以直流馬達(dá)作為致動器是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。選用動電動機(jī)時(shí)必須考的因素包含輸出負(fù)荷大小、馬達(dá)輸出扭力、與轉(zhuǎn)速曲線特性，同時(shí)也要考慮電源形式與運(yùn)轉(zhuǎn)模式。在選用直流馬達(dá)時(shí)，必須注意它的工作電壓，直流馬達(dá)電源常規(guī)格為DC12V與 DC24V，交流馬達(dá)則為 AC110V與AC220V;另外還要知道輸出扭矩大小(g－cm、kgcm)，以及轉(zhuǎn)速(rpm)，當(dāng)然最好能有馬達(dá)特性曲線，如電流轉(zhuǎn)矩圖與電流轉(zhuǎn)速圖等，以方作為選用馬達(dá)時(shí)的參考。計(jì)算扭需求時(shí)，先計(jì)算欲旋轉(zhuǎn)的物體轉(zhuǎn)動慣量，再參考旋轉(zhuǎn)速度決定減速比，然后決定馬達(dá)工作扭值，即可依照馬達(dá)特性選擇適用型。雙軸直流馬達(dá)驅(qū)動器如圖4所示。

圖4 雙軸直流馬達(dá)驅(qū)動器

2 步進(jìn)馬達(dá)

步進(jìn)馬達(dá)(Stepping Motor)又稱為步級馬達(dá)(Step Motor)或脈波馬達(dá)(Pulse Motor)。由于步進(jìn)馬達(dá)的特性和一般的交流馬達(dá)、直流馬達(dá)完全同，并且一加上電源就會運(yùn)轉(zhuǎn)，因此自成一族。

2.1 步進(jìn)馬達(dá)的種類

目前所用的步進(jìn)馬達(dá)，以線圈的相數(shù)來分，有2相步進(jìn)馬達(dá)及5相步進(jìn)馬達(dá):

(1)2相步進(jìn)馬達(dá)

2相步進(jìn)馬達(dá)是目前使用最多的步進(jìn)馬達(dá)，基本步級角有1.8及0.9兩種。內(nèi)部有兩組線圈。

(2)5相步進(jìn)馬達(dá)

5相步進(jìn)馬達(dá)具有較高的解析，基本步級角有0.72及0.36兩種。內(nèi)部有五組線圈。

(3)步進(jìn)馬達(dá)依轉(zhuǎn)子的材可分成三大類:

一是VR型步進(jìn)馬達(dá):可變磁阻型(Variable Reluctance Type)步進(jìn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)子以軟鐵加工而成，步級角通常為15。二是PM型步進(jìn)馬達(dá):永久磁鐵型(Permanent Magnet Type)步進(jìn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)子是用永久磁鐵制成，步級角有 18、15、11.25、7.5 等多種。三是HB型步進(jìn)馬達(dá):復(fù)合型(Hybrid Type)步進(jìn)馬達(dá)，轉(zhuǎn)子是在永久磁鐵上以多齒的軟鐵制成，步級角可小于 1.8。

2.2 步進(jìn)馬達(dá)特征

(1)旋轉(zhuǎn)的角和輸入的脈波數(shù)成正比，因此用開回控制即可達(dá)成高精確角度及高精度定位的要求，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得相當(dāng)簡單也更容易使用操作。

(2)采用數(shù)位化控制使得我們可以輕易的得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速及精確定位，啟動、停止、正反轉(zhuǎn)的應(yīng)答性好，控制容易。

(3)每一步級的角誤差小，而且沒有積誤差。

(4)在可控制的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速和脈波的頻成正比，所以變速圍范非常廣。

(5)靜止時(shí)具有相當(dāng)?shù)谋３至?，步進(jìn)馬達(dá)有很高的保持轉(zhuǎn)矩(Holding Torque)，可保持在停止的位置，不需使用剎車器即不會自由轉(zhuǎn)動。

(6)在中低速的運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域擁有較大的扭力，在超低速有很高的轉(zhuǎn)矩。

(7)可靠性高，需保養(yǎng)，整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格低，且容易與電腦搭配使用(PC，PLC，..........)。

3 伺服馬達(dá)

伺服馬達(dá)比較精密，主要是在遙控車或遙控飛機(jī)上面使用的優(yōu)點(diǎn)是比較有力.而且比較好控制。在定位系統(tǒng)中，最常用的馬達(dá)不外乎是步進(jìn)馬達(dá)和伺服馬達(dá)，其中，步進(jìn)馬達(dá)主要可分為2相、5相、微步進(jìn)系統(tǒng)，伺服馬達(dá)則主要分為DC伺服和AC伺服兩種。2相、5相和微步進(jìn)系統(tǒng)主要是驅(qū)動器所表現(xiàn)出來解析度不同，2相步進(jìn)系統(tǒng)馬達(dá)每轉(zhuǎn)最細(xì)可分為400格，五相則為1000格，微步進(jìn)則可從200～50000(或以上)格，表現(xiàn)出來的特性以微步進(jìn)最好，加減速時(shí)間較短，動態(tài)慣性較低。AC和DC伺服馬達(dá)主要的分別為DC伺服比AC伺服馬達(dá)多了一個(gè)碳刷，會有維護(hù)上的問題，而AC伺服馬達(dá)因沒有碳刷，所以后續(xù)并不會有太大維護(hù)上的問題.所以基本上來說AC伺服系統(tǒng)是較DC伺服系統(tǒng)為優(yōu)，但DC伺服系統(tǒng)主要的優(yōu)勢則是價(jià)位上比AC伺服系統(tǒng)較便宜，而此兩種系統(tǒng)的控制精度相同，伺服馬達(dá)比較精密。

AC伺服馬達(dá)由馬達(dá)與編碼器、驅(qū)動器三部分構(gòu)成，具有高信賴性(閉回路)。驅(qū)動器的作用是將輸入脈波與編碼器的位置、速度情報(bào)進(jìn)行比較后來對驅(qū)動電流進(jìn)行控制。由于AC伺服馬達(dá)可以通過編碼器的位置、速度情報(bào)隨時(shí)檢出馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，即使是在馬達(dá)停止時(shí)也會向控制器輸出警示信號，所以能隨時(shí)檢出馬達(dá)的異常情況。此外，盡管因AC伺服馬達(dá)系閉回路控制，使用時(shí)需依據(jù)機(jī)構(gòu)剛性及負(fù)載條件來調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，伺服馬達(dá)調(diào)整極為簡單。AC伺服馬達(dá)的長處能獲得定位結(jié)束信號，發(fā)生過負(fù)載等異常情況時(shí)，因會輸出警示信號，所以能在設(shè)備發(fā)生異常時(shí)報(bào)警。因能依據(jù)負(fù)載狀態(tài)來控制電流，所以效率高、馬達(dá)發(fā)熱程度低。系在X軸運(yùn)轉(zhuǎn)完畢后再進(jìn)行Y軸運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動模式。此種情況下，因能輸出X軸運(yùn)轉(zhuǎn)完畢的信號(END)，所以非常方便。假如X軸發(fā)生異常停止時(shí)，有可能會影響到其他機(jī)構(gòu)。但因?yàn)闀敵鐾ㄖ惓Ｇ闆r的警示信號，所以非常方便。高速高轉(zhuǎn)矩步進(jìn)馬達(dá)的特性為在低速領(lǐng)域時(shí)能輸出大轉(zhuǎn)矩，但在高速領(lǐng)域時(shí)則轉(zhuǎn)矩會逐漸下降。AC伺服馬達(dá)與步進(jìn)馬達(dá)相比，即使在高速領(lǐng)域亦能獲得穩(wěn)定的高轉(zhuǎn)矩。所以，按照長行程進(jìn)行高速移動時(shí)適合使用AC伺服馬達(dá)。

步進(jìn)馬達(dá)與伺服馬達(dá)的比較。步進(jìn)系統(tǒng):低價(jià)位，無時(shí)間誤差，瞬間轉(zhuǎn)動時(shí)無2倍扭矩，最大額定扭力接線簡單，開回路控制，會有失步問題，低速轉(zhuǎn)動時(shí)會有噪音及震動，且會有共振區(qū)的問題，靜止時(shí)為完全靜止?fàn)顟B(tài)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速越高，扭矩會越小，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)馬達(dá)會有溫升，低速時(shí)的扭矩比同等級的伺服馬達(dá)為大，不會有OverShot現(xiàn)象，在有干擾的環(huán)境下，會有不準(zhǔn)的問題。AC/DC伺服系統(tǒng):價(jià)位較高，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，理想路徑與實(shí)際路徑會有差別，瞬間轉(zhuǎn)動時(shí)有2倍以上的扭矩，可克服機(jī)械起動時(shí)的摩擦力，接線較為復(fù)雜，閉回路控制，有編碼器回授，較不會有失步問題，轉(zhuǎn)動時(shí)不會有噪音及震動，靜止時(shí)，會有+/－幾個(gè)count的誤差，在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)，扭矩皆為額定扭矩，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，馬達(dá)溫升很小，低速與高速時(shí)的扭矩相同，轉(zhuǎn)動時(shí)會有Overshot現(xiàn)象，在有干擾的環(huán)境下，脈波式伺服(半閉回路)還是會有不準(zhǔn)的問題，但電壓命令伺服(全閉回路)較不會有不準(zhǔn)的問題。

4 無刷馬達(dá)的構(gòu)造與原理

電動機(jī)構(gòu)造中環(huán)由于是采用接觸式通電的方式，所以也稱作電刷。在直流電機(jī)中常以石墨作為電刷的材質(zhì)，電刷長期與電動機(jī)的轉(zhuǎn)子摩擦?xí)斐上喈?dāng)程的噪音，同時(shí)也會因磨耗而需要考慮維修的問題。在交流電動機(jī)中電刷則采用屬材制作，在長期磨耗下會造成間隙(Gap)，容在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出火花，此類的問題對電動機(jī)的可靠與安全性有相當(dāng)程的影響。無刷馬達(dá)就是在這樣的需求下產(chǎn)生，無刷馬達(dá)在構(gòu)造上是用永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子，并且用霍爾效應(yīng)感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子之相位為時(shí)令定子激磁，如此可以達(dá)到最高的運(yùn)轉(zhuǎn)效，用這樣的原理也可以使用在四程機(jī)車引擎點(diǎn)火正時(shí)上?；魻栯妷号c磁通密度(磁場強(qiáng)度)及霍爾電流成正比，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子之磁軸與霍爾元件同軸時(shí)，磁通較小，為維持固定的霍爾電壓必須增大霍爾電流，如此能確的算出定子的激磁順序與時(shí)間?；魻栐c直流馬達(dá)，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁軸與霍爾元件同軸時(shí)，霍爾元件與S極距離最短，因此磁通密度最高，此時(shí)造成霍爾元件A端子電壓較大，使得電晶體Q1導(dǎo)通，則線圈L1內(nèi)有i1電流流通，因此線圈L1呈激磁態(tài)，依據(jù)右手定則得知線圈L1右側(cè)為 S極，故轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子S極遠(yuǎn)離霍爾元件時(shí)造成磁通密度下降，因此A、B端再產(chǎn)生霍爾電壓電晶體Q1、Q2呈OFF態(tài)，轉(zhuǎn)子因受慣性作用繼續(xù)反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)至霍爾元件時(shí)，造成霍爾元件B端子電壓較大，使得電晶體Q2導(dǎo)通，則線圈L2內(nèi)有i2電流流通，因此線圈L2呈激磁態(tài)，轉(zhuǎn)子再受磁作用反轉(zhuǎn)，依照如此程序轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動。上圖因?yàn)橛袃山M場繞組線圈因此稱作二相無刷直流伺服馬達(dá)，當(dāng)控制要求高時(shí)，可以增加場繞組線圈數(shù)目與霍爾元件數(shù)目，因此工業(yè)上常使用的四相、五相無刷馬達(dá)，即是指此類運(yùn)用霍爾元件制成的無刷直流伺服馬達(dá)。

無刷直流伺服馬達(dá)由于用霍爾元件感應(yīng)激磁順序與時(shí)間，因此又稱作電子換相馬達(dá)，用霍爾元件感應(yīng)激磁順序與時(shí)間可以減少必要的電能費(fèi)，同時(shí)也可以適時(shí)的提供轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所需的電磁，因此大幅提升馬達(dá)輸出扭矩與效率。

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