馬達與控制

 

學校:台灣大學 

課程:業師授課

題目:馬達與控制

 

馬達與控制  

  

簡報說明如下----

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  人類日常生活中,主要運用能量型態,皆為動能,也就是力。因此,人類科技一直在持續尋找省力或藉由其它力的方式,如早期的風車、水車,到工業時代的蒸氣機。一直到電能的發現與應用,電能具有易儲存、傳送且潔淨等優點,使得電能已為目前主要的能量存放型態。

        然而,人類需要動能,而主要的能量卻以電能儲存、傳送;因此需要一種機構,能由電能轉換為動能使用,即為馬達。此為馬達廣義的定義,只要能由電能轉換為動能的,都可稱為馬達。

 

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        於馬達的分類中,較為基礎的,就是同步性的定義。然而,什麼是同步?顧名思義,即為相同的速度、頻率。再進一步想,是要與什麼同步?由上一頁的說明可知道,馬達是由電能轉換為動能的機構,因此輸入端為電能,而電能就有頻率,如50Hz、60Hz為大家耳熟能詳的。 

 故,馬達中的同步即為與輸入電能同步的意思;馬達輸出轉速與輸入電能頻率一致,即為同步;反之則否。

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        先介紹非同步馬達,此類馬達種類較少,主要以感應馬達為大宗,這幾年隨則陶瓷材料科技的演進,壓電陶瓷的誕生,便產生了另一種型式的馬達,即為超音波馬達。而感應馬達則是發展較為長久,超過百年歷史,因此種類及使用量都較多。 

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        前述有提到超音波馬達是採用壓電陶瓷所製成,由字面上可了解,此種材料受壓後會產生電能;逆向運用,則可藉由輸入電能產生變形,再利用機構設計,使這種變形放大為動能使用。 

        而超音波是因為此種馬達輸入的電能頻率極高,主要是配合材料及機構設計,在某些頻率下,超音波馬達會產生最大變形量,也就是此系統的共振點,以控制的說法,為極零點位置。因共振頻率往往超過1000 HZ以上,同時震動頻率也高,於極小的空間內產生高速移動變形,故稱為超音波。然而,電能輸入頻率,與壓電陶瓷材料的變形頻率並不一致,因此並非同步馬達。  

        超音波馬達是所有馬達中,單位體積的輸出力量是最大的,然受限於材料特性,陶瓷硬且脆,並不能接受太大的變形,將導致直接破裂,故不能製造太大顆的超音波馬達。主要常見於數位相機中,自動調焦機構。

 

 

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        於感應馬達的種類中,有一種依相數的分類,事實上也是依輸入電源作分類。家中常見電源為單相110V的交流電;而工業則會使用三相220V的交流電。依輸入電源型態不同,在馬達設計上,也會有所差異。而感應馬達,因磁場為感應而得,其作用時間較長,往往會落後輸入電源頻率,故不同步。  

        感應馬達運作原理,由彿萊明定則可知道,要讓馬達產生力,需要電場及磁場的交互作用。而感應馬達並不使用磁鐵,所以沒有固定磁場。其磁場是由線圈部份先產生磁場,傳導到轉子鑄鋁端,由於鋁可導電,受到線圈磁場作用,會於鑄鋁內部,受到冷次定律影響,產生電流。鋁內部所產生的電流,又因轉子鑄鋁的形狀關係,形成一圈的迴路,而感應出新的磁場。  

由此可知,感應馬達的磁場,是藉由導電材質,如銅或鋁所感應出來的,故稱為感應馬達。 

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  三相感應馬達,顧名思義是描述輸入電源為三相,且依序輸入,此三相電源在同一時間點會有相位及大小差異,而又分別輸入馬達當中;將其連續輸入,則會如左圖,於馬達圓內依序產生不同方向的作用力,造成馬達持續旋轉。 

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        由於單相電源,無法直接於馬達內部依序合成旋轉的力,因此需要其他方法配合。由電子學可知,電容具有相位超前的作用,因此藉由電容使單相電源產生另一具有相位差的電源型態,可視為具有X軸及Y軸,兩軸作用即可繪成一個圓,使單相感應馬達順利運轉。

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            蔽極馬達亦為單相電源輸入,而不使用電容,採用銅環取代;則在銅環上會感應出另一具有相位落後的磁場,故可造成馬達運轉。

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              大部份的馬達皆為同步馬達,綠色為依作用方式分別的主要類型。 

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        事實上,光同步馬達此一名詞,即代表一種馬達。往往用於比較大型的馬達之中,可單純的把內部轉子視為一電磁鐵,故內外線圈皆需藉由機構或電路設計去進行控制,使內部電磁鐵的磁場與外部線圈電場可順利交互作用,使馬達順利旋轉。 

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        磁阻馬達所使用的原理,即為最小磁阻力;簡單的說,轉子為導磁材料,一般都直接使用矽鋼片,可被磁鐵吸附,當定子齒部線圈送電磁,即產生磁力,將轉子齒吸引過來。

        因此當定子齒部依序送電,產生磁場,則轉子就依送電速度依序旋轉,故為同步馬達。 

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        步進馬達具有多種型式,有使用磁鐵當轉子的,也有只使用矽鋼片當轉子的,亦有兩者混合的,但工作原理與磁阻馬達一致,最大的差異在於步進馬達單次移動量不多。

        主要是由圖中可發現,步進馬達會有很多齒部的設計,使得移動量不需要太多,就可達到穩定的位置,即不需在移動了。

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 其運作原理仍然與磁阻或步進馬達相同,是為了方便生產製造所形的新式樣馬達,可發現它在馬達線圈部份就簡單多了,只要繞成圈圈即可,而不用繞於馬達齒部。 

 而其較為複雜的部份,為爪極導磁材料的成形,但藉由機械製造的技術十分成熟,可用灌注方式成型,亦十分容易。 

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  此種馬達亦無直接磁場,也非磁阻力作用。是由電場先產生磁場後,於軟磁材料上生成磁場,類似充磁反應,進而運轉。與感應馬達類似,但因感應材料差異,軟磁材料是直接生成磁場,感應馬達則是先產生電流,在由迴流產生磁場。故磁滯馬達較為快速且直接,故仍為同步馬達。

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        其工作原理與磁阻馬達相同,不同的是磁阻馬達為線圈直接產生磁力吸引轉子,磁通則是與定子中,調整不同磁路徑方向,故磁通馬達的驅動控制會比磁阻馬達較為簡單。   

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        通用馬達類似一開始所介紹的同步機,外部有一電場變化,而內部則類似電磁鐵的作用,然而通用馬達是完全藉由機構設計,碳刷及碳刷架的擺放,來對電磁鐵部份進行控制。通用馬達最大的特點,在於不限定輸入電源形式,交流電或直流電都可使通用馬達順利運轉,使用上即為方便。故有通用的名詞。  

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        永磁馬達為近幾年來研究的主軸,主要是銣鐵硼的發現,使得磁力更進一步的加強,造成單位空間內能產生的力量又更多了,因此馬達體積及效率都能有效提升。

        另一方面則是電力電子的技術持續成長,傳統機械式的驅動技術逐漸轉為電子式驅動電路,也使得永磁馬達目前的分類極為混亂,常有不同的名詞及定義存在。

        永磁馬達中,會有交流及直流兩種分類,但由於控制器的加入,使的直流或交流的名詞,是在說明電源輸入型態,或是控制器真正傳給馬達的電源型態?此點並無明確定義,目前先暫定為電源輸入型態。 

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        圖片為使用機械碳刷驅動的直流馬達,一般可能多加有刷兩字,為直流有刷馬達,與電子式驅動的無刷馬達作為區別。然而在一般日常生活中,若單純提到直流馬達,往往是指直流有刷馬達,仍是較為普遍的。 

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        直流無刷馬達,即為改為電子式電路驅動之永磁馬達。然而又會聽到方波驅動與旋波驅動的差異,即再描述控制器所輸入給馬達的電源型態,是類似直接電源的方波,或是交流電源的旋波。 

        這兩種驅動方式對馬達特性是會有影響的,而控制的難異度也有差。方波較為簡單,輸出扭力較大,但轉速較低,易產生振動噪音;旋波則反之。 

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        永磁同步馬達,通常是用來描述輸入電源為交流電的永磁馬達;然而,經過控制器後,輸入馬達達端的,是否亦為交流旋波,則未明確定義,即便是交流電輸入控制器,亦會經由電路整流為直流電源使用,並不保障會輸入馬達端的電源型態。

        由以上可知,永磁馬達中,往往未註明直流的,即為交流電源。但仍不保證輸入馬達端的電源型態,需再額外詢問。 

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        是將感應馬達與永磁馬達結合的馬達類型。由於永磁馬達需要驅動器,無論是機械式或是電子式;感應馬達則不需搭配驅動器,即可自行啟動運轉。因此有設計將兩者結合,運用感應馬達原理啟動,而後以永磁馬達特性運轉。 

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        此為一簡單的系統控制圖。一般常見的控制需求,往往是力量、位置、速度或加速度,為了達到這些控制目標,需要感測器迴授,搭配控制器來進行調整。然而,我們事實上也只控制了馬達;馬達是電能輸入轉換為動能輸出,因此是控制電能,但在電能的控制上,真正能調整的,也只有電壓大小、電流方向及頻率三種要素。三要素中,電流方向為控制正反轉,較為單純。頻率主要是對應到感應馬達的控制。

        然而,針對真正的控制目標力量、位置、速度或加速度,其實都是藉由電壓大小所控制的。電壓大小才是我們藉由控制器所調整的主要參數。 

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        由此一馬達系統圖亦可證明,主要控制輸入參數為電壓值,而產生相對應之電流大小,進而轉為動能的轉矩與轉速輸出。

        馬達為一機電整合的轉換機構,因此有電能的部份,亦有機械動能的部份;若以能量的觀點分類,則有電能、磁能及動能三種,都在馬達內部作用。考量到馬達內部實務系統,則可繪製出此圖。

        由此圖可發現,馬達的最終輸出特性,會受到各種能量參數的影響及限制。如電壓輸如頻率可以很快,但馬達內部有線圈,會產生電感效應,則電流流入速度跟電壓會有落差,同時輸入電能亦會受到銅損影響而衰減;機械方面就有摩擦力的影響,導致輸出轉矩降低。

        因此在控制上,系統輸出特性,會受到馬達天生特性所限制住。 

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        由於電能的輸入,需依靠控制器上的電力電子元件來調整控制,理論上來說,無限的電能輸入即能提供無限的動能輸出。然而,事物往往具有一極限值,電子元件亦然,大都具有電壓及電流兩種規格限制。

        於馬達相關研究中,大約可分為四類,馬達材料、馬達設計、馬達驅動及馬達控制四大類型。馬達驅動即為設計選配符合馬達規格之驅動控制器,方可進行馬達控制之研究。若以小功率之驅動器去控制大馬達,則馬達輸出效益一定不高,也往往無法符合控制需求。反之,若馬達設計規格不高,搭配高功率驅動器,亦無效果。

        一個好的馬達控制者,雖然不用完全知道馬達設計及驅動設計,但仍需要了解其使用規格及限制,方可安穩的操作馬達。

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        最基本的控制分類,可分為開回路及閉回路兩種。

        開迴路可視為控制目標為可預測的,如步進馬達,因同步的關係,則可由輸入電源的次數,判斷馬達轉子移動角度。

        閉迴路則依靠感測器回授所需資訊,再對馬達進行控制,一般會稱為伺服馬達。任何一種馬達都作為伺服馬達,僅需能達到高精度的穩定控制需求即可。  

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  另一種分類,則可視作為了達到良好的控制特性,而延伸的兩種發展方向,分為前饋及回授兩種。前饋控制,屬於一種事前補償的方式;在已經十分了解系統的情況下,事先判斷會有那些控制缺點,而預先調整控制參數,達到最佳效果。如遇到非預期的狀況,則會造成控制異常。 

        回授控制,則可在不需要知道系統的情況下,針對回授結果與目標的差異進行調整。故對於各種異常狀況,也可立即反應,且不需真正了解控制系統為何,適用於任何系統,為主要發展方向。 

        兩者研究的方向差異十分大,但其實也可同時使用,並不違背。在穩定情況下,以前饋為主,回授為輔;遇異常狀況則以回授為準。 

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        以為前饋控制之實例,由於馬達在極低速控制時,摩擦力、慣量等馬達內部參數會造成低速不穩定;因啟動時要先克服靜摩擦力,然而一但開始運轉後,動摩擦力值會低於靜摩擦力,導致先前輸入能量過大,而過衝的情況產生。故,若能事先評估出系統參數值,則可於控制器先行補償,使其於低速時穩定工作。

        至於要補多少,則要依靠各類型不同的系統鑑別技術,求得系統內部參數,方可準確的進行補嘗工作。 

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        PID為最常見也最基本的控制方式,其原理就是針對誤差量去進行處理,算出一數值;一般算出數值越大,代表誤差越多,也就補越多。以永磁馬達轉速差異為例,則是太慢就增加電壓,太快就降低電壓;因此,算出之數值,則依比例關係調整電壓大小。然而,輸入電壓有一定的範圍,算出的值超過實際操作範圍,則PID參數再一直調整也沒有效果。 

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        若單純以控制或是數學的觀點來看待系統,或是馬達,大多只在意輸出與輸入之間的關係;因此只要能求的一簡單的數學關係式,則可估測輸入的電能可以得到怎樣的輸出動能,並不特別需要了解系統真實的結構或物理意義。模糊控制的基本概念,就是在不了解系統的情況下,採用數學方式,表示出系統的數學關係式,再藉此控制系統。

        而估測系統,變成數學關係式的方法,則因人而異。故同一系統於不同人進行時,就可以有不同的數學關係式。 

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        與模糊類似,藉由輸入與輸出的資料,由類神經網路演算出系統架構。此類方法,事實上完全不需要知道真實的控制系統為何,就像是個黑盒子,總之有輸入,它就會有個輸出。  

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        此一方式往往是用於一組較大之系統情況,如生產製程中的機械手臂,負責多樣機台的上下料動作時,會嘗試不同的先後順利及時間,試出最有效率的工作路徑,達到最佳的工作效率。重點在於,它會偶然產生不規則的控制命令,去研判此種控制方式的效果與先前的方式何者為佳,取較佳的方式做為為主要的控制方法。

        若以馬達定位來看,它可能就嘗試順時針轉較快或是逆時針較快,比較後確定以後在此一定位條件下,就固定以順時針為主。 

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        在系統控制參數調整時,預先評估此系統可能會遭遇到的最壞異常,如過載等情況,要求系統在非正常情況下,仍可保有一定的穩定性。也因此,此種控制參數往往非最好或最快的參數,操作性能僅是可接受範圍內,然而抵抗不良的能力較強,故以強健稱之。  

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        蘇聯所發展的控制法則,藍色線段為主要控制目標,希望系統能盡可能的跟藍線一樣,然而系統一定會有誤差,可能來自於外在、機械結構或電控方面等等。因此,它設定一個範圍,即紅色線斷部份,亦為數學式中的sign符號。

       以馬達轉速控制為例,藍色為1000 RPM,紅色為偏差10 RPM,則馬達轉速達到1010RPM時,將電源關閉,則馬達開始降速,待降至990 RPM時,則開啟馬達電源,則馬達開始運轉加速,直到再次升至1010 RPM,再次關閉電源。如此一直持續控制,則可很簡單的將馬達轉速控制於1000 RPM上下10 RPM誤差的範圍內。屬於簡單且實用的控制方式。 

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        控制中也常提到線性與非線性的控制。線性容易控制,非線性則否。事實上再選配馬達時,亦可分輸出特性為線性與非線性兩種。永磁馬達可視為線性,感應則為非線性。因此,了解馬達輸出特性,亦可協助系統控制者挑選適用的控制需求。

 

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