馬達與控制 @ 路昌工業股份有限公司

馬達與控制

學校：台灣大學

課程：業師授課

簡報說明如下----

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。