文档介绍：电动机控制简介
随着工业自动化技术的快速发展,自动化的基础技术-伺服技术,也有了革命性的发展,交流驱动技术日趋成熟且商品化产品亦日益普及。在可预见的未来,交流伺服驱动系统将更广泛的应用于各种工业自动化系统。本文说明电动机控制的基本原理,同时针对应用日趋广泛且需以回授控制技术达到变速控制目的马达如直流马达、交流同步马达、交流感应马达等,说明马达控制技术的发展现况与未来发展趋势。
电力驱动器(electric drives)因具有良好的可控性(controllability)、灵活性(flexibility)、及准确性(precision),在工业上均已有广泛的应用,而其中直流驱动器(dc servo drive)与交流驱动器(ac servo drive)尤其为工业自动化的关键组件。在各种马达的应用中,交流马达又占了绝大多数,但因为交流马达变速控制的困难与复杂性,过去主要应用于定转速场合。近年来由于大规模集成电路的快速发展、功率电子组件的进步、先进控制方法的发展,在加上计算机辅助设计的日益普级,复杂的控制法则得以藉微处理器或数字信号处理器为基础的软件予以实现,使得无段变速交流马达控制得以实现,并广泛应用于工业界。再加上交流感应马达本身的优点,举凡伺服系统的定位控制,如数值工具机、工业机器人等,或是炼钢厂、碾纸厂、纺纱厂等辗压装置的同步转速控制,皆能发挥其优越之特性,因而逐渐取代了传统式的直流马达驱动系统。
马达是工业自动化的心脏,而马达控制更是一门既富挑战又能引人入胜的学问与技术。各式各样的马达种类繁多,其工作原理、特性、应用、乃至于使用的材料均有所不同,因此分类不易,为了简明起见,根据马达基本的特性概括性的将马达分类如表1所示,而应用于伺服领域的马达通常具有精密的位置检测组件如光电编码器、解角器等,一般惯称为伺服马达,其分类如表2所示。
表1 马达之分类
表2 伺服马达之分类
2. 直流马达控制
直流马达(direct current, DC motor)是最早发明能将电力转换为机械功率的电动机,它可追溯到Michael Faraday所发明的碟型马达。法拉第(Faraday)的原始设计其后经过不断的改良,到了1880年代已成为主要的电能机械能转换装置,但之后由于交流电的使用日趋普及,而发明了感应马达与同步马达,直流马达的重要性亦随之降低。直到约1960年,由于SCR的发明、磁铁材料、碳刷、绝缘材料的改良,以及变速控制的需求日益增加,再加上工业自动化的发展,直流马达驱动系统再次得到了发展的契机,到了1980年直流伺服驱动系统成为自动化工业与精密加工的关键技术。
虽然交流伺服马达应用于精密的定位控制已是未来的发展趋势,但直流马达有良好的线性特性,具有简单易于控制的优点,仍是目前最常应用于变速控制的马达,同时了解直流马达的特性与控制也是进入交流伺服控制的必要途径。
直流马达的工作原理
马达的工作原理可以「弗莱明左手定则」来说明,弗莱明左手定则可用来判断一根载有电流的导线置于磁场中时其受力的方向。若以左手之食指表示磁场方向,中指表示电流方向,则大姆指表示此导线受力的方向,如图1所示之电流方向,则环状线圈受磁场之作用,将顺正时钟方向旋转,产生之扭矩T可以下式表示
(1)
其中K为比例常数,I为流经线圈之电流,B为永久磁铁所造成之磁场强度。
图1 马达的工作原理「弗莱明左手定则」
直流马达的基本工作原理说明可由图2来说明,图2(a)是直流马达的剖面图包含定子磁铁、转子线圈、mutator)与碳刷(carbon brush),图2(b)是气隙磁通(air-gap flux)密度在定子的圆周空间分布图,图2(c)则是碳刷间之电压。经由换向器与滑环,在转子线圈的电枢电流所形成的磁场能一直与定子所形成的磁场保持垂直,因此在定子磁场维持固定的情况下,马达产生的扭矩正比于电枢电流,其关系如图3所示。直流马达之所以易于控制,也就是因为电枢电流与扭矩间有此一线性关系,而马达控制的关键正在于如何有效率且线性的控制其产生之扭矩。
图4(a)为一外激式直流马达的等效电路模型,图4(b)为其方块图。在电枢线圈的电路模型里包含了电枢电阻(armature resistance) Ra、电枢电感(armature inductance) La 与一个因马达旋转时磁力线在线圈上切割所感应出之反电势Vg。在定子的激磁线圈包含了磁场电阻(field resistance)Rf 与磁场电感(field inductance)Lf、气隙磁通为f、马达转轴之旋转角速度为w。
图2 直流马达的基本工作原理说明:(a)直流马达的剖面图包含定子磁铁、转子线圈、换向器(commutator)与碳刷(carbon brush),(b)气隙磁通(