題目 ： 馬達介紹與馬達驅動器 選用

1. 題目：馬達介紹與馬達驅動器選用 資料來源： 馬達種類介紹-維基百科 變頻器-維基百科 直流馬達驅動器選用 伺服馬達介紹 引用馬達種類NEW.pptx 最後面有資料來源網址 課程名稱：運動控制概論 學生姓名：李東沂 班 級：控晶三乙 學 號：4992C101 授課教師：王明賢

2. 馬達是一種將電能轉化成機械能，並可再使用機機械能產生動動能，用來驅動其他裝置的電氣設備。馬達是一種將電能轉化成機械能，並可再使用機機械能產生動動能，用來驅動其他裝置的電氣設備。 • 馬達主要區分為兩大類 1. 直流馬達 2. 交流馬達 • 其他馬達 1.伺服馬達 2.步進馬達

4. 直流馬達 • 直流馬達是利用電壓大小控制轉速與轉向，因此在控制上較容易，但是直流馬達不是合於高溫或是一然的環境下工作。 • 一般直流馬達都是有碳刷作為電流變換器，所以直流馬達需要定期清理碳刷摩擦產生的髒汙以利於馬達正常運作。

5. 交流馬達 • 交流馬達相較於直流馬達交流較是用於高溫與易燃的環境，且無碳刷設計所以不用定期清理。 • 因交流馬達是利用交流電的“頻率”來控制轉速，電壓控制馬達扭力，所以在控速上會比直流馬達要困難。

6. 交流馬達種類 • 1.同步馬達 • 同步電機的定子所產生的磁場吸引轉子磁場的異極，由於定子所產生的磁場是以固定速度旋轉，因此轉子會隨著定子磁場的旋轉速度，以相同的速度旋轉。所以騎馬達轉速會固定不受頻率等等影響

7. 感應馬達(非同步電機) • 三項非同步電機是民生中最常使用的馬達之一，凡舉機床、中小型軋鋼設備、風機、水泵、輕工機械、冶金和礦山機械等都有它的蹤跡。 • 非同步電機轉子繞組中沒有使用外加電源供電，而是通過定子產生的旋轉磁場（其轉速為同步轉速n1）與轉子繞組的相對運動，轉子繞組切割磁感線產生感應電動勢，從而使轉子繞組中產生感應電流。轉子繞組中的感應電流與磁場作用，產生電磁轉矩，使轉子旋轉。

9. 步進馬達 • 步進馬達是脈衝馬達的一種，為具有如齒輪狀突起(小齒)相鍥合的定子和轉子，它的切換電流觸發器是以脈波信號來控制，所以它能準確的速度與位置控制旋轉角度，且穩定。 • 要驅動步進馬達要使用控制器發出需求運轉量的脈波訊號再由驅動器給予馬達穩定的電源與控制訊號來驅動步進馬達。 ，

10. 其中還有一種“伺服馬達”與步進馬達相當類似，其最大差別在於伺服馬達有回受功能。其中還有一種“伺服馬達”與步進馬達相當類似，其最大差別在於伺服馬達有回受功能。 • (圖為永磁式步進馬達)

11. 控制器要使用步進馬達專用或是可程式控制器的定位模組傳送固定的方波給驅動器做觸發驅動器提供電源以保證馬達正常運作，並以控制器傳的訊號來控制電力控制器要使用步進馬達專用或是可程式控制器的定位模組傳送固定的方波給驅動器做觸發驅動器提供電源以保證馬達正常運作，並以控制器傳的訊號來控制電力

12. 線性馬達 • 線性馬達與一般馬達的扭力與旋轉能不同，線性馬達是直接把電能轉為線性動能(如高鐵，粒子加速器等等。

13. 線性馬達移動的原理 圖右為磁力線通過鋁板而在板上產生感應電流

18. 故障判別及處理方法

19. 直流伺服馬達與驅動器的規格與選用 直流伺服驅動系統中兩個主要單元：伺服馬達與驅動器的規格以及應用時的一些考慮因素 與選擇準則。首先說明工業級伺服驅動系統中功率轉換器的種類、額定與諧波變形之考慮， 其次將以實際之伺服馬達與驅動器之規格為例來說明各參數之物理意義與應用時之考慮。

20. 1.　變速驅動器之功率轉換器的種類 • 應用於高性能變速驅動系統中之伺服馬達主要為：直流馬達、交流感應馬達、 交流同步馬達、與開關式磁阻馬達。控制一個感應馬達需要一個定壓變頻、 定頻變壓或變壓變頻的可控交流電源，控制一個同步馬達亦同，此電源可為電壓源或電流源。 控制一個直流馬達則需要一個可變電壓的直流輸出電源，通常市電所提供的是一個定頻定壓的交流電源， 因此為了滿足不同的應用需求，就發展出了各式不同的功率轉換器。

21. 2.　馬達與功率轉換器的額定考慮 • 在馬達控制的暫態操作如啟動、剎車、反轉、變速等操作過程中， 馬達電流的瞬間值都可能遠大於其額定值，這主要是為了達到快速的動態反應， 同時因為馬達的熱容量相當大，因此瞬間的電流上升不足以立即造成馬達的溫升。 一個伺服驅動器在瞬間運轉中通常允許其額定值3至5倍的瞬間峰值電流， 這裡所謂的瞬間即指其啟動或反轉的反應時間。由於流經馬達的電流與其產生的扭矩成正比， 因此瞬間電流的大小也就反映出瞬間加速扭矩的大小，這也就直接影響到馬達反應的快慢。

22. 下張投影片之圖之虛線為馬達運轉時最大瞬間扭矩─轉速四象限工作區，實線則為連續最大輸出功率之工作區限制。 任何馬達驅動系統，都有其連續最大額定輸出功率與在最大氣隙磁通下運轉的基速(base speed) wmb。在基速時， 其與最大連續輸出扭矩的乘積即為最大連續輸出功率。當馬達的轉速超過基速時， 由於最大連續輸出功率Pmax的限制，就必須降低氣隙磁通以降低輸出扭矩， 使其輸出功率限制於Pmax之內。馬達運轉的最高轉速 wmax通常受限於其機械結構與功率轉換器之輸出電壓， 而瞬間最高輸出扭矩則受限於馬達所允許的最高瞬間(電流其中主要之考慮為去磁電流) 與功率轉換器之最高輸出電流。在伺服系統的應用中，伺服馬達多半工作於間歇式的加減速運動狀態， 因此常工作於虛線所標示的範圍之內，為了保証馬達不致於因過載而過熱， 就必須先對應用上的運動速度輪廓(velocity profile)有所瞭解，選擇適當的馬達與散熱方式， 才不致於因過載而發生停機狀況。

23. 最大瞬間扭矩─轉速四象限工作區

24. 3.　電流諧波與功率因數 • 馬達驅動器(motor drive)的功率轉換器(converter)主要是將市電轉換為各型馬達驅動所需要的電源型式， 為了達到這個目的又同時能以高效率的方式完成，就必須採用開關的方式進行功率處理(power processing)。 在這樣的過程中，由於高電壓與高電流以極高的速度切換， 因此就由於dv/dt與di/dt的開關效應造成了高頻諧波干擾。 因此在功率轉換的設計，一方面希望其所造成的漣波電流越小越好， 因為如此才可降低馬達的脈衝扭矩(pulsation torque)與漣波扭矩損失(ripple torque loss)， 同時又希望降低開關損失(switching loss)小以提高轉換器的效率。

25. 4.　依直流伺服馬達的規格

26. 可知其計算之額定電壓為與規格表中所列不盡相同， 由此可知規格表中所列之各項額定值與理論值不盡相同，其間之誤差， 在選用時應一併考慮容許變動之範圍。

27. 變頻器（Variable-frequency Drive，縮寫：VFD） • 又稱為變頻驅動器或驅動控制器，可譯作Inverter。變頻器是可調速驅動系統的一種，是應用變頻驅動技術改變交流馬達工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流馬達速度及轉矩，最常見的是輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉換器。

28. 變頻器所驅動的交流馬達一般是三相感應馬達，有些變頻器可以驅動單相馬達或特殊的同步馬達使用，但主要仍以驅動三相感應馬達為主，在成本上也比較便宜。一般常會用變頻器驅動為定速驅動而設計的感應馬達，不過變頻器驅動感應馬達時，其電壓應力也會提高，因此一般會建議選用為變頻器驅動而設計的變頻馬達，且需符合NEMA標準MG-1的Part31[6]，也就是馬達在沒有雜訊濾波器或電抗器的條件下，可以承受大小為額定電壓3.1倍，上昇時間不小於0.1μs的電壓。變頻器所驅動的交流馬達一般是三相感應馬達，有些變頻器可以驅動單相馬達或特殊的同步馬達使用，但主要仍以驅動三相感應馬達為主，在成本上也比較便宜。一般常會用變頻器驅動為定速驅動而設計的感應馬達，不過變頻器驅動感應馬達時，其電壓應力也會提高，因此一般會建議選用為變頻器驅動而設計的變頻馬達，且需符合NEMA標準MG-1的Part31[6]，也就是馬達在沒有雜訊濾波器或電抗器的條件下，可以承受大小為額定電壓3.1倍，上昇時間不小於0.1μs的電壓。

29. 變頻器運作 • 變頻器可以分為單象限、二象限及四象限運作，四個象限的定義如下： • 第一象限，馬達正轉運轉，能量從變頻器到馬達，馬達的轉速及轉矩都為正。 • 第二象限，馬達正轉回升或減速剎車運轉，馬達呈發電機模式，能量從馬達到變頻器，轉速為正，轉矩為負。 • 第三象限，馬達反轉運轉，能量從變頻器到馬達，馬達的轉速及轉矩都為負。 • 第四象限，馬達反轉回升或減速剎車運轉，馬達呈發電機模式，能量從馬達到變頻器，轉速為負，轉矩為正。 • 其中第一象限及第三象限是轉速及轉矩同方向，第二象限及第四象限是轉速及轉矩反方向。

30. 馬達若不透過變頻器，直接接一般三相交流電源，在啟動瞬間會有很大的突入電流，約為額定電流的6至8倍。若使用變頻器啟動，變頻器一開始會輸出較小頻率及電壓的交流電壓給馬達，再依已規劃好的速度提昇頻率及電壓，此啟動方式比較不會造成大的突入電流，配合變頻器啟動，馬達在低速時可以在輸入電流不到額定電流50%的條件下輸出150%的額定轉矩。若經過適當的調整及控制技術，馬達可以從靜止到額定轉速的轉速範圍內，都輸出150%的額定轉矩。馬達若不透過變頻器，直接接一般三相交流電源，在啟動瞬間會有很大的突入電流，約為額定電流的6至8倍。若使用變頻器啟動，變頻器一開始會輸出較小頻率及電壓的交流電壓給馬達，再依已規劃好的速度提昇頻率及電壓，此啟動方式比較不會造成大的突入電流，配合變頻器啟動，馬達在低速時可以在輸入電流不到額定電流50%的條件下輸出150%的額定轉矩。若經過適當的調整及控制技術，馬達可以從靜止到額定轉速的轉速範圍內，都輸出150%的額定轉矩。 • 馬達透過變頻器減速的過程和啟動加速的過程類似，變頻器用已規劃好的速度降低頻率及電壓，當頻率接近零時，變頻器停止輸出電壓，馬達自然停止。另一種停止方式是變頻器不降低頻率及電壓，直接停止輸出，馬達會因為本身的摩擦力而停止，但前者可提供的剎車轉矩較大，馬達減速停止所需的時間也較短。減速過程可能會有能量由馬達進入變頻器，若在直流鏈上加裝一個由功率晶體及電阻組成的剎車電路，將馬達回昇的能量轉換為熱能，可以提昇變頻器的剎車轉矩。若配合四象限的整流器，也就是主動式前端（active front end），變頻器在剎車時可以產生反向轉矩，並且將能量回灌到三相交流電源端。

31. 變頻器控制性能 • 在工業及商業應用中，交流變頻器常用來控制加速度、流量、壓力、速度、溫度、張力及轉矩等物理量。 • 變頻器也可以讓馬達以一個事先規劃的方式運轉，進一步的減少機械及電子的應力。例如一般變頻器啟動時，速度會連續變化，而加速度會有不連續的變化。若在運送帶的應用中，可以配合S曲線的機能，使加減速時的加速度也是連續變化，使加減速的過程更為平順，減少運送帶在加減速過程出現的背隙。 • 直流馬達的控制性能一般會比交流馬達要好，包括可以在低速下連續運轉，有回昇機能，可配合四象限運轉，也可以有頻繁的加減速，但因為有碳刷，在危險環境下需額外的保護。下表比較交流驅動器及直流驅動器的一些重要特性，其中速度部份都是相對馬達同步轉速的百分比：

33. 使用變頻器應用考量 • 電源端諧波  調整功率因素 • 長導線效應 • 馬達軸承電流 • 馬達剎車 • 能量回昇機能

34. 結論 一個馬達就有分這麼多種類，更何況不同馬達有不同特性還需要不同的驅動器來使馬達運轉，所以一個工作機構需要很大的技術，光是前置作業選用馬達、感測器之類的就是一門大學問，這二個禮拜聽老師講選用一個馬達而已就可以這麼麻煩，也讓我體會到為什麼運動控制概論是很少人在用的，因為那是需要很精密的計算與技術。

35. 資料來源 1.伺服馬達介紹 http://elearning.stut.edu.tw/control/control/chap7/0-1.htm 2.馬達種類介紹-維基百科 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%B5%E5%8A%A8%E6%9C%BA 3.引用馬達種類NEW.pptx http://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q=%E9%A6%AC%E9%81%94%E5%88%86%E9%A1%9E&source=web&cd=3&ved=0CDcQFjAC&url=http%3A%2F%2Flms.ctl.cyut.edu.tw%2Fblog%2Flib%2Fread_attach.php%3Fid%3D89550&ei=SvCQUdueBY2FkwWEz4HgDg&usg=AFQjCNGPdetjlTmMMnBvIzM4ICaH3ldSCg

36. 4.直流馬達驅動器 http://pemclab.cn.nctu.edu.tw/peclub/W3cnotes/cn05/ 5. 變頻器-維基百科 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%98%E9%A2%91%E5%99%A8#cite_note-TGN8-26