各类电机 简介以及工作中出现的问题和解决措施.doc

各类电机 简介 步进电机步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。步进电机驱动器步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。步进电机问与答1.什么是步进电机?步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2.步进电机分哪几种?步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3.什么是保持转矩（HOLDINGTORQUE）?保持转矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。4.什么是DETENTTORQUE?DETENTTORQUE是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。5.步进电机精度为多少？是否累积?一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。6.步进电机的外表温度允许达到多少?步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?A.电压的确定：混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。B.电流的确定：供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.52.0倍。13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。常用单相交流感应电动机种类在家用电器设备中，常配有小型单相交流感应电动机。交流感应电动机因应用类别的差异，一般可分为分相式电动机、电容启动式电动机、永久分相式电容电动机、罩极式电动机、永磁直流电动机及交直流电动机等类型。一般的三相交流感应电动机在接通三相交流电后，电机定子绕组通过交变电流后产生旋转磁场并感应转子，从而使转子产生电动势，并相互作用而形成转矩，使转子转动。但单相交流感应电动机，只能产生极性和强度交替变化的磁场，不能产生旋转磁场，因此单相交流电动机必须另外设计使它产生旋转磁场，转子才能转动，所以常见单相交流电机有分相启动式、罩极式、电容启动式等种类。1、分相启动式电动机分相式电动机广泛应用于电冰箱、洗衣机、空调等家用电器中。该电机有一个鼠笼式转子和主、副两个定子绕组。两个绕组相差一个很大的相位角，使副绕组中的电流和磁通达到最大值的时间比主绕组早一些，因而能产生一个环绕定子旋转的磁通。这个旋转磁通切割转子上的导体，使转子导体感应一个较大的电流，电流所产生的磁通与定子磁通相互作用，转子便产生启动转矩。当电机一旦启动，转速上升至额定转速70%时，离心开关脱开副绕组即断电，电机即可正常运转。2、罩极式电动机罩极式单相交流电动机，它的结构简单，其电气性能略差于其他单相电机，但由于制作成本低，运行噪声较小，对电器设备干扰小，所以被广泛应用在电风扇、电吹风、吸尘器等小型家用电器中。罩极式电动机只有主绕组，没有副绕级（启动绕组），它在电机定子的两极处各设有一副短路环，也称为电极罩极圈。当电动机通电后，主磁极部分的磁场产生的脉动磁场感应短路而产生二次电流，从而使磁极上被罩部分的磁场，比未罩住部分的磁场滞后些，因而磁极构成旋转磁场，电动机转子便旋转启动工作。罩极式单相电动机还有一个特点，即可以很方便地转换成二极或四极转速，以适应不同转速电器配套使用。3、电容式启动电动机该类电动机可分为电容分相启动电机和永久分相电容电机。这种电机结构简单，启动快速，转速稳定，被广泛应用在电风扇、排风扇、抽油烟机等家用电器中。电容分相式电动机在定子绕组上设有主绕组和副绕组（启动绕组），并在启动绕组中串联大容量启动电容器，使通电后主、副绕组的电相角成90，从而能产生较大的启动转矩，使转子启动运转。对于永久分相电容电动机来说，均与启动绕组串接。由于永久分相电机其启动的转矩较小，因此很适于排风机、抽风机等要求启动力矩低的电器设备中应用。电容式启动电动机，由于其运行绕组分正、反相绕制设定，所以只要切换运行绕组和启动绕组的串接方向，即可方便实现电机逆、顺方向运转。4、交、直流两用电动机一般常用单相交流电动机，在交流50Hz电源中运行时，电动机转速较高的也只能达每分钟3000转。而交直流两用电动机在交流或直流供电下，其电机转速可高达20000转，同时其电机的输出启动力矩也大，所以尽管电机体积小，但由于转速高输出功率大，因此交直流两用电动机在洗衣机、吸尘器、排风扇等家用电器中得以应用。交、直流两用电动机的内在结构与单纯直流电机无大差异，均由电机电刷经换向器将电流输入电枢绕组，其磁场绕组与电枢绕组构成串联形式。为了充分减少转子高速运行时电刷与换向器间产生的电火花干扰，而将电机的磁场线圈制成左右两只，分别串联在电枢两侧。两用电机的转向切换很方便，只要切换开关将磁场线圈反接，即能实现电机转子的逆转或顺转。在家用电器电机类中还有一种直流微型电动机。该电机在录音机、随身听、录像机、打印机、传真机等家用电器中广泛应用。直流微型电机由于定子绕组和转子绕组之间的串接形式不同，又可分为并激、串激、复激等几种类别。应用在家用电器中的电机，其定子绕组的转子，绕组之间的串接一般采用并激形式，即电机的定子磁场线圈与电枢绕组线圈并联后接到电源上。当通电后电机可保持磁场恒定，并利用电枢电路控制电机转速。这种直流电机的最大特点是当负载产生波动变化时，电机的转速保持定速状态。此外，在直流电动机中还有一种结构更为简单、用在玩具上的电机，这种电机是用永久磁铁作固定磁场的电动机，在电子玩具、电动剃须刀、微型按摩器等日用小电器中得以广泛应用。步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。直流无刷电机的工作原理 直流无刷电机的优越性直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 直流无刷电机的控制结构直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。（图一） 直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL一组AH、CL一组BH、CL一组BH、AL一组CH、AL一组CH、BL一组，但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 (图二) 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。 P.I.D控制简介 一般P.I.D控制如下 (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d （图三） P.控制(比例控制) ：输出与输入误差讯号成正比关系，即将误差固定比例修正，但系统会有稳态误差。I .控制(积分控制) ：当系统进入稳态有稳态误差时，将误差取时间的积分，即便误差很小也能随时间增加而加大，使稳态误差减小直到为零。D.控制(微分控制)：当系统在克服误差时，其变化总是落后于误差变化，表示系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。 电机驱动器的保护措施 对于驱动器还要有保护措施，当负载过大或不当使用时会造成大电流而将功率晶体管烧毁。为了保护因电流超过规格而破坏驱动器，一般会以加大功率晶体管耐电流或加电流sensor做为保护。其次当电机负载不小的时候，在停止转动时由电机端回送至驱动器的能量及过电压都将危及驱动器，这可配合过电压保护电路加上回生能量消散电路来防治。其它尚有hall-sensor正常与否判定也会影响PWM控制的正确性，这可由控制部判断并适时警告即可。 DC无刷电机系列控制疑难杂症处理案例 欲以电流值的大小来判断目前电机的负载状况是否有过载的迹象，该如何测量? 将电源线的其中一条拔起后，将电表（请先调至安培档）的一端接至驱动器的电源CONNECTOR其中一接脚，另一端则接至电源插座的另一接脚（如下图四），如此即可测量出在现阶段的负载下所必须耗费的电流值，之后再依此电流值来对照电机的电流/扭力对照表，如此即可得知目前的负载状况是正常或是 否有过载的情形发生。 AC交流电机的发展和类型 电机发明的早期都是被应用在工业方面的领域。最早以直流（DC）电机应用的范围最广，其中以60年代至80年代中期使用最为旺盛，但其因碳刷的关系所产生的种种问题至今一直存在，所以在1980年代中期以后，传统直流电机即渐渐被淘汰，取而代之的是AC电机。从传统AC电机的模拟控制进化到现今数字控制电机的出现，各种电机的技术不断演化、改进，至目前为止，AC电机在现阶段，仍为工业动力上使用最为普遍的电机类型。 AC电机的种类 AC电机的种类非常多，如依其用途来做区分，大致可分为以下3种类型：1.动力用电机2.定位控制用（具剎车机能）电机3.速度控制用电机以下，我们将针对第一项、也是目前市面上使用最普遍的AC动力用电机作介绍。 所谓的动力用电机，也就是以动力的方式，来取代传统人工的搬运，进而达到物体运送的目的，特别是在只须单纯搬运、不需其它特殊动作要求的场合下，选用动力电机最为恰当。依据使用、应用场合的不同，AC动力用电机又可分为以下几种：感应电机为AC小型电机最具代表性的机种。特性： 单一方向运转用（不可做瞬间逆转的切换，须待电机完全停止后才能作逆转切换的动作。） 连续定格 过转量约30-40回转 目前市面上常见的有电容运转型单相110V/220V电机和三相220V电机3种，主要适合单一方向连续运转的场合，如：一般单纯的搬运动作。 可逆电机特性： 频繁正逆转及瞬间起动、停止用 30分钟定格 过转量约5-6回转 为电容运转型，外观和感应电机几乎相同，但于内部结构设计上则稍有不同，因而造成特性上不同的差异。另可逆电机因内部尾端有加装剎车来令片的装置，因而能够简单地做到瞬时逆转及起动、停止的动作，最适合在频繁作正逆转及瞬间的起动停止场合下使用。 转矩电机特性： 张力控制用 5分钟定格 具垂下特性（转速愈高，转矩反而往下降。） 转矩电机是属于较特殊的电机，适合较特殊的场合使用。像是在收送料的场合下须维持一定的张力来避免料带下垂或被扯断的卷曲动作时；又或是在锁紧螺丝或瓶盖动作的场合下需瞬间提供较大的扭力来作迫紧、也就是拘束运转的动作时，选用转矩电机则较为合适。 AC电机特性曲线说明 （1）起动转矩：速度为零时对应到Y坐标轴的点即为起动转矩。也就是电机从静止到动的瞬间所必须克服静摩擦的力量，以使电机及工作物可以被带动上来的力量谓之。（2）最大（停动）转矩：电机于运转时所能带动的最大负荷。（3）同步（同期）转速：与电源周波数（Hz）同步回转的速度。公式：N（转速）120 f（频率，Hz） P（极数）同步转速基本上它会随着电源周波数及电机极数的不同而有所不同，譬如：当f为60Hz、P为4极时，电机的同步转速N为1800RPM；但当f为50Hz、P为4极时，电机的同步转速N则为1500RPM。（4）无负荷转速：无负载时电机的转速。电机于制造的过程中不免会有一些像是铜损、铁损、磁滞损等耗损问题存在，故即使在无负载的状态下，电机的转速往往仍无法达到同步转速的理想值，它只能达到接近同步转速值，而此值即称为无负载转速。（5）定格转矩 与 （6）格转速： 在此转矩、转速规范值内使用时，是最稳定、最有效率的工作领域。AC电机于运转时，在转矩与转速上都是一个不断变动的参数，因此一般来说制造商会将各种不同规格的电机各自规范出一个定格点（如上图P点），由定格点对应到Y坐标轴的部份我们称之为定格转矩；对应到X坐标轴的部份我们则称之为定格转速。也就是说在定格点所对应过来的定格转矩与定格转速间的范围内（上图深蓝色区块）， 即为AC电机最安定、最有效率的一个工作领域。 AC电机温升 AC电机于运转时会有一定程度的热散溢，故产生一定的温升是一种正常的现象，但事实上，温升的产生对于电机的使用寿命上而言却是有极大的影响。温升对电机寿命的影响轴承卡死：电机的使用寿命，大部分都是取决于其内部滚珠轴承内含油的寿命，电机的温度愈高，滚珠轴承的寿命就愈短，其主要是因电机长时间于高温下使用时，容易造成滚珠轴承内润滑油的液化、蒸发而溶解，最后仅剩滚珠与滚珠间的相互摩擦进而造成轴承卡死的问题。线圈烧毁、欠相：电机于高温下使用时，亦容易造成定子线圈绝缘材料的劣化，进而造成线圈烧毁或欠相问题产生。 以上原因通常就是造成电机坏掉的两个主因，所以温升对电机寿命所造成的影响相当的大！该如何降低温升进而延长电机的使用寿命，对我们来说是相当重要而不可忽视的。 影响电机温升的原因 与降低温升的方法 影响电机温升的原因 降低温升方法 1 过载使用 减轻负载 2 运转时间未依定格时间限制使用 请依定格时间的限制使用 3 起动、停止频度过高 降低使用频度 4 运转周期过长 缩短运转周期 5 电压过高 控制输入电压值，或以稳压器做稳压 6 周围环境温度过高、散热不良 降低环境温度、加开散热孔或用风扇强制冷却 7 电容匹配不当 确认电容规格是否正确 8 电机选用不当 重新选用电机 9 安装面板的材质、大小、涂装 以散热效果较佳的材质做安装 10 机壳材质 使用散热效果较佳的机壳材质等。 11 其它原因 除针对上述所列影响电机温升的原因作控制及改善外，另亦可于电机、机构端连结处以加装连轴器的方式来阻隔机构上的温度传导到电机端，间接达到降低温升的目的。所以， 了解可能造成电机温升问题的原因后，下回在使用电机时就必须要特别注意这些造成电机温升的原因并加以控制，如此才能对延长电机使用寿命有所帮助。 AC电机控制疑难杂症 AC感应/可逆电机异常发热、转矩下降或不转时，该如何处理？ 可依下列步骤进行检查及确认：1.接线是否正确？（配线错误将有可能导致电机发热、转矩降低。）2.电容器是否异常（单相电机时）？（电容器异常时，将会造成电机发热、转矩降低的情况。要判断电容器是否为良品时，可于电源输入时测量电容器端子间的电压是否为电源电压的1.52倍，若是，则代表电容器并无异常；否则，请更换电容器。）3.负载是否超过电机标准负荷？（过负载会造成电机异常发热，请避免过载使用。）4.若皆非上述原因造成电机不转时，则有可能为电机本身的异常所造成发热及转矩降低，此时，您可以去量测电机的线圈阻值，进一步判断电机到底是否损坏。否则，建议可向您的电机购买商做进一步的确认或检查。 电机的振动及噪音 一般评估电动机的品质除了运转时之各特性外，以人之五感判断振动及噪音的情形较多。而电动机产生的振动噪音，主要有： 1、机械振动噪音，为转子的不平衡重量，产生相当转数的振动。 2、电动机轴承的转动，正常的情形产生自然音，精密小型电动机或高速电动机情形以外，几乎不会有问题。但轴承自然的振动与电动机构成部材料的共振，轴承的轴方向弹簧常数使转子的轴方向振动，润滑不良产生摩擦音等问题产生。 3、电刷滑动，具有电刷的DC电动机或整流子电动机，会产生电刷的噪音。 4、流体噪音，风扇或转子引起通风噪音对电动机很难避免，很多情形左右电动机整体的噪音，除风扇的叶片或铁心的齿引起气笛音外，也有必要注意通风上的共鸣。 5、电磁的噪音，为磁路的不平衡或不平衡磁力及气隙的电磁力波产生之噪音，又磁通密度饱和或气隙偏心引起磁的噪音。 一、机械性振动的产生原因与对策 1、转子的不平衡振动 A、原因： 制造时的残留不平衡。 长期间运转产生尘埃的多量附着。 运转时热应力引起轴弯曲。 转子配件的热位移引起不平衡载重。 转子配件的离心力引起变形或偏心。 外力（皮带、齿轮、直结不良等）引起轴弯曲。 轴承的装置不良（轴的精度或锁紧）引起轴弯曲或轴承的内部变形。 B、对策： 抑制转子不平衡量。 维护到容许不平衡量以内。 轴与铁心过度紧配的改善。 对热膨胀的异方性，设计改善。 强度设计或装配的改善。 轴强度设计的修正，轴联结器的种类变更以及直结对中心的修正。 轴承端面与轴附段部或锁紧螺帽的防止偏靠。 2、轴承之异常振动与噪音 A、原因： 轴承内部的伤。 轴承的轴方向异常振动，轴方向弹簧常数与转子质量组成振动系统的激振。 摩擦音：圆柱滚动轴承或大径高速滚珠轴承产生润滑不良与轴承间隙起因。 B、对策： 轴承的替换。 适当轴方向弹簧预压给轴承间隙的变动。 选择软的滑脂或低温性优秀的滑脂，残留间隙使小(须注意温升问题)。 3、电刷滑动音 A、原因： 整流子与电刷的滑动时的振动电刷保持器激振产生 B、对策： 握刷的弹性支持、选择电刷材质与形状、抑制侧压引起的电刷振动及提高整流子的精度等。 二、流体噪音的产生与对策 电动机的流体噪音中，主要为冷却用的风扇引起的噪音。此外，转子铁心的槽开口部接近静止侧的部份，变成显著气笛音，再则通风路等如存在共鸣空间，产生显著的共鸣者。 1、风扇噪音的大小： 电动机一般求两方向转动，风扇的叶片为径向直线叶片，效率不良，而且噪音大。噪音值约由下式来求。但测定电动机的轴中心高度，距离有m的情形。 噪音dB(A)=70 log D+50 log N+ D：叶片的外径（m）， N:每秒的转数， ：常数， 由上式，降低噪音位准，以减少风扇的外径较重要。但吐出风量与风压低下，与这些的配合变成重要。风扇在外框的内部时有减音或遮音效果。 2、风扇噪音的频率依不同类型而有差异。 压力噪音，为风扇的叶片空气受压力冲击产生。 扰流噪声，为叶片周边空气流动的扰乱起因者，径向直线叶片的风扇，电动机的用途上可说不可避免。 风扇与其它部份的干涉引起的气笛音，为接近转动叶片存在其它部份空气如流通，产生激烈的气笛音。 三、电磁噪音（感应电动机） 有关电磁噪音，其电磁噪音由耳朵的听感感度良好频率HZ以上的频率带域，单一或复数的特定频率音组成，特别与定子共振时变成显著的噪音。感应电动机较DC电动机常有电磁噪音问题，因此以感应电动机为中心说明。电磁噪音感应电动机通称“磁音”，对此种的研究，首先要了解正弦波电流的电磁噪音。 1、正弦波电流的电磁噪音： 因正弦波电流，感应电动机的气隙产生的磁通，加转矩产生的基本（主）磁通，存在高谐波磁通。这些的磁通使定子与转子铁心互相吸引的电磁力波作用，定子铁心变形为多角形，转轴弯曲移位产生振动。主要产生电磁噪声之气隙高谐波磁通原因者，有 A、绕线分布引起的磁动势高谐波。 B、定子或转子铁槽产生的槽高谐波。 C、铁心饱和产生的饱和高谐波。 D、偏心引起的偏心高谐波E、电压、线圈、磁路等不平衡引起的高谐波。 F、槽磁导高谐波等。 G、相带高谐波，气隙存在为数很多的空间高谐波磁与电源波形畸变等引起时间高谐波磁通。 2.电磁噪音防止对策： A.由电机设计上 适当槽数组合 采用特殊槽 斜槽化 选择线圈节距 正弦波绕线 采用分数槽绕线 气隙、齿、轭铁部之磁通密度的适当化 转子槽部极与厚度的均等化 采用磁性楔 气隙的扩大 B.由机械设计上 消除静的偏心，提高加工装配精度。 对外力提高轴的弯曲刚性，装配精密。 全闭槽消除齿尖厚度不同，提高制造技术。 磁路使不造成不平衡的构造以及制造，特别转子导体的电阻，绝缘或轴的断面形状。 定子、转子避免与电动机构成部材料的共振。 避免与电动机装置机构产生共振。 定子铁心或轴承支持部的弹性、防振支持。 由电动机外部的遮音或防音的构造。 C.在使用上，消除电源电压的不平衡。 电磁噪音的原因变成电磁加振力，这些的高谐波磁通因互相干涉产生电磁力波引起。 但并非所有电动机的噪音问题，皆由电磁力波所引起的。有些是因与定子或转子的自然振动数一致或接近的情形形成共振状态。所以电磁噪音产生的因素，不单单只因为电磁力波的频率，我们还需要了解电动机各部份的振动体自然振动频率。电机（传动电机，控制电机）传动电机常用于在生产机械系统中，负责完成能量的转换，具有较高的力能指标，如效率和功率因素。（应该就是常见的硕大，很脏的那种吧）控制电机指微特电机（指微小，特殊？），完成控制信号的传递和转换。这种电机常用于自动控制，自动调节，远距离测量，随动系统等等。因此在系统中可作为测量元件，放大元件，执行元件，校正元件。而伺服电机也称为执行电动机，就是在控制电机中作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或者转速，以带动控制对象。其最大的特点是：可控，有是否转动取决于控制信号的有无；改变控制电压的大小和相位就可以改变伺服电动机的转速和转向。不过，步进电机和伺服电机有什么关系？唉，又不清楚了。伺服的确是音译的，伺服电机不是一种具体的电机名字，而步进电机是，这两种名字是从不同的出发点命名的，所以，这2个名字可以针对同一个电机。伺服，我记得是从英文单词servo音译的，记得老师就是这么解释的伺服么.就是佣人,奴隶.基本概念应该是准确、精确、快速定位;以及确定其他参数。所谓伺服系统指能对速度，位移，力矩能够精确控制的系统叫伺服系统。步进电机的发展、应用和种类简介 步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： （下图一） 可变磁阻式（VR型）：转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15。 永久磁铁式（PM型）：转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有45、90及7.5、11.25、15、18等几种。 混和式（HB型）：转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。 （图一） 目前市场上所使用的工业用步进电机，以混和式（HB型）最为普遍。 步进电机的特征 高精度的定位： 步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例：其定位基本单位（分辨率）为0.72（全步级）/0.36（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在3分（0.05）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度）位置及速度控制： 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。具定位保持力： 步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。动作灵敏： 步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。开回路控制、不必依赖传感器定位： 步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。中低速时具备高转矩： 步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。高信赖性： 使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。小型、高功率： 步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。 步进电机的速度转矩特性 速度-转矩特性取决于电机及驱动器，尤其与所搭配的驱动器有着极大的影响；使用的驱动器不同，特性上的差异也就会有明显的不同。 （图二） 步进电机速度-转矩特性曲线图（图二）说明： (1)