马达基础知识教育

1、马达基础知识讲解,王月平 2009.09.07,以下资料仅供大家参考共同学习,Back To The Basics , Run 2009 !,目录,1.Motor 基础 2.DC Servo Motor 3.AC Servo Motor 4.Step Motor 5.伺服马达的维修方法 6.步进马达常见问题及解决办法 7.步进马达发热问题分析,1.Motor 基础,1.电机概况 什么是电机(Motor)？ 接收电力后产生机械动力的旋转器。 将电能转化为机械能的旋转器。 旋转器是指以轴旋转的形式出现的机械输出。 具有把电能转化为机械能，并利用产生的力功能。由产生磁力的定子(STATOR) 和旋转

2、运动的转动器(ROTOR)，以及起保持和固定作用的机架(HOUSING)构成。,主要结构 磁铁：产生磁束 电枢：产生旋转效应(torque) 整流器：电磁电流整流 其他,2.电机的分类,3.电机的发展史 1820 年：D.F ARAGO 利用ARAGO 圆盘最早进行电机旋转试验。 1864 年：PACINOTTI 发明整流换相线圈。 1879 年：WALTER BAILY 进行基于顺序直流励磁方式的旋转体系统形成试验。 1885 年：GALILEO FERRARIS 成功进行二相交流旋转试验。 1888 年：NICOLA TESLA 成功进行三相交流旋转试验。 1890 年：WESTING H

3、OUSE 公司的RG LAMME 最早进行农型诱导电 动机。 1927 年：英国海军开始实用化步进电机。 1978 年：MATSUSHITA 将BRUSHLESS Motor 应用于录音机 (RECORD PLAYER),4.电机的术语解析,电机的一般结构 旋转体与定子：机械性关系 ROTOR(旋转体) STATOR(定子) 场和电枢：电气性关系 场(FIELD)：提供磁场 电枢(ARMATURE)：对向磁场转换电流的磁场部分,电磁的结构(三槽电磁),1.整流器,2.铁芯,铜环,绝缘部分,外壳,线圈(Coil),由于结构与上图相同，有电刷 的电机的符号同下图。,有电刷的电机的符号,线圈1,线圈

4、2,线圈3,三槽电磁形成连接,铁芯,3.电刷、communicate 的结构,communicate(整流器),电刷,电刷支架,各种旋转体的结构,旋转体种类,结构图,2. DC Servo Motor 直流伺服电机,1.伺服马达的结构:(DC),定子,底座,碳刷,驱动线,位置检测装置,检测装置信号线,轴承,转子,2.DC Motor 直流电机的构造及原理,直流电机原理： 直流发电机由永久磁石及在永久磁石的两极间旋转的线圈组成。接通直流电流时，线圈磁场与磁石磁场之间相斥、相吸，着使线圈旋转，从而使与之相连的电机轴转动。,线圈,磁石的N极,电池,电磁的流向,磁力线 作用：线圈转到此位置时，所有磁力

5、线都相互聚拢并朝一个方向。从而使磁石与线圈之间产生强烈的相斥力。,整流子 作用：线圈每转半圈，整流子都将电流方向调整到反方向。这样，即使线圈向相反，磁场的方向也能始终保持一致，所以能够继续旋转。,DC Motor 直流电机的构造 主要构造如下： - 电界磁：产生磁束 - 电枢：产生转矩 - 整流子：整流电枢电流 - 其他,主要材质: - 叠压铁心：硅钢片 - 电 刷：碳、黑铅 - 整流 子片：铜 - 绕 组 线：铅铜,叠压铁心,整流子,轴,绕组线,3.绕线方法,九个电枢槽的电枢的线圈的绕组线,4.DC Motor 直流电机的特征 (1) 电机的电界磁使用铁素体(ferrite)和磁铁，3 槽个

6、或5个槽的内部转子比较多。 (2) 因为电机的电界磁使用了磁铁，电机的输出功率高。 (3) 使用转数一般为500rpm到50000rpm。 (4) 轴承的结构为无油金属轴承或球轴承。 (特殊的使用流体轴承) (5) 使可用电压范围大致在1.5V 至30V 之间(高压的不多)。 (6) 使用电流多在1 安培以下。 (7) 使用寿命与转数有关,一般在1000-2000 小时。 (8) 电刷多使用碳素电刷、金属电刷、银碳电刷。 (9) 高速旋转时电机的噪音特别大。 (10)回路制御容易控制电路。 (11)如需转换旋转方向，只需调整电源的正负极即可。 (12)有电刷和整流子。 (13)电刷和整流子的结

7、构有正/反转型、单方向转动型、旋转电刷等。 (14)电刷和整流子之间产生火花。 (15)有闪点。 (16)产生电气性及机械性噪音。 (17)电刷和整流子有损耗。 (18)可作为发电机、发电闸使用 (19)轴有单轴型和双轴型的 (20)启动转矩较大,5.Brushless DC Motor 结构,特点,优缺点 高度平滑的运转 ,特别是在低速时,需要高速度（5000RPM）；需要特别的速度稳定性； 较恒定的力矩 .直流马达具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，噪音低，效率高 等. 当然在缺点方面也很明显，如有刷马达要维护

8、更换电刷 ,寿命短等.,6.编码器的原理,编码器是一种将角位移转换成一连串电数字脉冲的旋转式传感器，这些脉冲能 用来控制角位移,如果编码器与齿条或螺旋杆结合在一起，也可于控制直线位移。 编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。读数系统是基于径向分度盘的旋 转，该分度盘是由交替的透光窗口和不透光窗口构成的。此系统全部用一个红外光源垂 直照射，这样光就把盘子和图像投射到接收器表面上，该接收器覆盖着一层光栅，称为 准直仪，它具有和光盘相同的窗口。接收器的工作是感受光盘转动所产生的光变化，然 后将光变化转换成相应的电变化。,7.光栅位置检测装置的介绍,光栅作为检测装置, 已历史长久, 可用以测量长度,

9、 角度, 速度, 加速度, 振动和爬行等。,在数控进给系统中, 用它来检测直线位移, 角位移和速度。,用长光栅(或称直线光栅)来测量直线位移, 用圆光栅来测量角位移.将激光测长技术用于刻制光栅, 可以制造出精度很高的光栅尺, 因而使光栅检测的分辨率与精度有了很大的提高, 光栅检测的分辨率可达微米级, 通过细分电路细分可达0.1um, 甚至更高的水平。,光栅检测装置的结构:,备注： a.前5个元器件安装在同一个支架上, 构成光栅读数头。 b.标尺光栅安装在执行部件的被测移动零件上。 c.标尺光栅与指示光栅应相互平行, 并保持0.030.1mm的间隙。,光栅片:,标尺光栅,指示光栅,提示： 我们在

10、拆装马达时,不能随便动光栅片,弄花或者弄坏.如万一使之位置发生变化的话,我们在没有 示波器的条件下很难恢复,因为每个马达在出厂时,它的波形就确定了,在调 整的时要根据波形来调光栅片的位置,所以一般我们拆下马达就报废.,光栅检测装置的结构：,3.AC Servo Motor 交流伺服电机, 什么是 Servo Motor？ 能够追从频繁变化的位置或速度命令而设计的 Motor。 - 条件转矩(TROQUE)要大 转子的惯性(Inertia)要小。 Servo Motor 的特点 应答性好：惯性小，且电气的、机械的时间常数小 - 能够做到频繁启动、停止、制动、逆转及连续微速运转 - 旋转中的TOR

11、QUE 不均匀性小 - 电流和TORQUE 的比例较好 - 小型、轻量 - 包括维修在内信赖度高, Servo Motor 的结构, Servo Motor 选定顺序 1.决定用途(控制位置用,控制速度用) 2. 决定容量 -连接在负荷轴的方式 -操作的形态(TIMING CHART) 3.决定精密度 4.考虑控制性能(适应性、POWER RATE) 5.着眼于可靠性、维修性、强度 6.考虑使用环境(周围温度、湿度、通风、其他) 7.调查每一个MAKER 的适合条件的Motor 8.选择Motor 时要考虑形状、效率、经济性,4.Step Motor 步进电机,Step Motor 的概要 S

12、tep Motor,输入:脉冲信号 输出:一定角度旋转, 特点 1) Motor 的旋转角度和输入脉冲完全比例 2) 1Step 的角度误差小 3) 不积累角度误差 4) 启动、停止、正反转的应对能力优秀 5) 能控制开电路(OPEN LOOP) 6) 能进行超低速同步运转 7) 无控制装置也能维持停止位置 8) 可以在大范围内控制速度,2. Stepping Motor 的种类和结构,现在常用的 Stepping Motor 是以下3 种类型:,提示： 步进马达区别于其他控制马达的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即马达的总转动角度由输入脉冲数决定，而马达的转速由脉冲信号频率决定

13、。,步进马达是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，马达的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给马达加一个脉冲信号，马达则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进马达只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进马达来控制变的非常的简单 .,4.Step Motor 驱动结构图：,3. Stepping Motor 的控制原理,注: 一般步进伺服系统的位置检测都在机械运动部件上.,5.Stepping Motor 的作业,A)所谓INDEX 操作是什么作业? - Motor 的移动量始终是同一的情况。 -

14、 是最单纯的位置控制。,B)RETURN(想把移动的Motor 返回到原来位置时使用。) 所谓RETURN 操作就是CONTROLLER 记忆到目前移动的INDEX 量，例如计算前进(+)/ 后退(-),利用它的差进行返回(COUNTER 原点=电气原点)。Motor 只移动(A+B+C+D-E) 距离。,C)机械原点复位(在Motor 位置不明确时使用) 不论Motor 在什么状态/位置都可以使其返回到START 位置。,D)PROGRAM 操作 - 移动量每次都不同的情况 - 最复杂的位置控制,6. Step Motor 的特性,一、控制精度不同 两相混合式步进马达步距角一般为3.6、 1

15、.8，五相混合式步进马达步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进马达步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进马达，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进马达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马达的步距角。 交流伺服马达的控制精度由马达轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服马达为例，对于带标准2500线编码器的马达而言，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位编码器的马达而言

16、，驱动器每接收2 17=131072个脉冲马达转一圈，即其脉冲当量为360/131072。是步距角为1.8的步进马达的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进马达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马达空载起跳频率的一半。这种由步进马达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。当步进马达工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在马达上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服马达运转非常平稳，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（FF

17、T），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进马达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。交流伺服马达为恒力矩输出，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 步进马达一般不具有过载能力。交流伺服马达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。步进马达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马达，而机器在正

18、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 步进马达的控制为开环控制，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，驱动器可直接对马达编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进马达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 步进马达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MSMA 400W交流伺服马达为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要

19、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马达。但在一些要求不高的场合也经常用步进马达来做执行电机。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，选用适当的控制马达 .,5.伺服马达的维修方法,一.电机结构：,二.电机常见故障：,1.轴承损坏 对于MD-13,MD-11的电机来说，此类损坏较多。 2.控制部分损坏 对于此类的损坏的现象时：电机找不到原点，计数报警和测高不准（MD-13 BHZ),X或Y方向不稳定。 3.定子的磁损失太多 一般电机很少出现此类故障，单对于被修理后的电机，由于转子拿出定子时会有一定的磁损耗。因此在修理电机时应该尽量避

20、免这种情况。,三.故障处理 1.轴承损坏 1.1电机的抵御 1.1.1现将控制部分的螺丝拆开。（如图1） 1.1.2将控制部分的螺丝拆开，将这一部分拆下。应注意光栅不能损伤。 1.1.3将连接电机底座与电刷部分的螺丝松开。 1.2更换轴承 1.2.1MD-13,MD-11电机的电刷处的轴承626常损坏。对于MD-11电机在更换轴承后应将轴承内 1.2.2MD-13底座处的轴承608损坏时，将电机转子拆下，应尽量减少磁损失。（在拆转子时有磁损耗） 1.2.3MD-11底座处的轴承6000损坏时，电机目前无法修理。因为更换此轴承时的磁损耗较多，勉强换上也会因电流报警而无法使用。 1.3装配 1.3

21、.1在更换完轴承后，按拆开电机时所在底座、定子、电刷处所作记号的位置，将电机装好。 1.3.2控制部分的装配，见控制部分的故障处理。,6.步进马达常见问题 及解决办法,一.如何控制步进马达的方向？ 1、可以改变控制系统的方向电平信号 2、可以调整马达的接线来改变方向，具体做法如下： 对于两相马达，只需将其中一相的马达线交换接入驱动器即可，如A+和A-交换。 对于三相马达，将相邻两相的马达线交换， 如：A,B,C三相，交换A,B两相就可 二.步进马达振动大，噪声也很大，什么原因？ 遇到这种情况是因为步进马达工作在振荡区，解决办法： 1、改变输入信号频率CP来避开振荡区。 2、采用细分驱动器，使步

22、距角减少，运行平滑些。 三.为什么步进马达通电后，马达不运行？ 有以下几种原因会造成马达不转： 1、过载堵转（此时马达行猩? 2、马达是否处于脱机状态 3、控制系统是否有脉冲信号给步进马达驱动器，接线是否有问题 四.步进马达抖动，不能连续运行，怎么办？ 遇到这种情况，首先检查马达的绕组与驱动器连接有没有接错 检查输入脉冲信号频率是否太高，是否升降频设计不合理。,7.步进马达发热 问题分析,1.步进马达为什么会发热？ 任何马达都会发热，只是发热程度不同罢了。对于各种步进马达而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响马达的效率。步进马达一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进马达普遍存在发热情况，且情况比一般交流马达严重。 2.步进马达发热的合理范围？ 马达发热允许到什么程度，主要取决于马达内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下（130度以上）才会被破坏。所以只要内部不超过130度，马达便不会损坏，而这时表面温度会在90度以下。所以，步