TROY直流无刷马达设计概观.PDFVIP

TROY 直流無刷馬達設計概觀 泰映科技直流無刷馬達(Brushless DC Motor)因為最根本的結構組成因素使 然，轉換效能可高達80% ，高於市面上大量使用的交流感應馬達﹝僅有40~50% 效能﹞。在同樣的電力輸入與體積空間要求下，直流無刷馬達能產生出遠高於感 應馬達的輸出容量。亦即，在優良的設計觀點出發，無刷馬達可說是新世代省能 減碳動力源。 直流無刷馬達由傳統直流碳刷馬達改進而來，它保留了高效率、構造簡單、 轉速與外加電樞電壓成正比、轉矩與電樞電流成正比等優點，同時它使用半導體 元件及感測元件做電子式換向，取代碳刷及整流子，去除了傳統直流馬達因碳刷 的磨耗及壽命問題，也沒有碳刷摩擦產生的火花、粉塵及廢熱等缺點。 圖1. 直流無刷馬達組 直流無刷馬達的運轉、停止、加減速，必定得經由它的驅動器(Driver)來控 制。驅動器的角色如同騎馬競賽的騎師，馬匹的奔跑、跳躍、站立、擺首、踏步 等動作，皆是聽從於騎師的命令發佈，逐一完成。而騎師在操控馬匹之前，必然 得相當瞭解馬匹的奔跑速度、耐力、習慣、脾氣等資訊，如此相輔才能在競賽中 脫穎而出。直流無刷馬達也是如此，它必然得與專屬的驅動器搭配使用，方能相 得益彰把優良的特性盡現。圖1 為本公司專為工業界所設計生產的直流無刷馬達 組，它能使用在諸多要求高速度、快響應的場合，屬於汎用型機種。 從設計研發者的觀點，可以分成下列三個面向思考： 1. 從「客戶需求」的角度來看，什麼樣的馬達能在嚴苛條件下的工業場合中擔 任自動化機械上穩定地動力源角色？ 這一面向思考對於設計者而言是最首要且真正的審慎重點。舉凡使用場合 的大電力交流電壓變動率、功率因素、突波、諧波、電磁干擾、接地工程等電 力因素，或者小訊號控制端的雜訊影響、週邊搭配界面的電壓準位高低、元件 響應速度的快慢等，以及環境溫度濕度變化，每一個都是產品穩定的考慮要項。 馬達與驅動器的異常保護處理，提供了使用者一個安全無虞的操作空間， 在此範圍內，馬達會依照命令要求完成使命，若是因為外在因素干擾或者使用 程序失當，超出了此操作空間，驅動器便得發出異常警報﹝Alarm ﹞輸出，同 時令馬達停止運轉。等待外在因素排除，始能再重置回復起動運轉。 異常警報的觀念起肇於「機構保險絲」，讓失序突發等的機構動作發生時 能立即停止，首要保護使用者安全，次要確保機構、馬達與驅動器的工作壽命。 換句話說，當驅動器異常警報發生時，使用者便得返視其原因，是PLC 程式 流程不當？是螺桿太髒、滾珠卡住？是皮帶太緊或軸承鏽蝕？是供應電壓異常 或負載慣量過大？還是載具荷重超過、機械緊配干涉？利用無刷馬達組的異常 警報分類，客戶能快速分辨出機構上警報發生原因。 2. 以「功能區塊」為切割，將實際物體拆解成數個單元物件，馬達與驅動器的 系統組成(如圖2 所示) ： 圖2. 直流無刷馬達組架構 A. 電源部 整流濾波、轉換調控、穩壓限流 B. 控制部 觀測估測、計算判斷、演算法建立 C. 轉換部 調控調節、回授濾波、雜訊隔離 D. 馬達部 電能、磁能與機械能轉換 每個功能區塊﹝Block ﹞都得先定義或要求其輸入輸出特性，然後搭構內部 元件，最終將功能區塊與其它區塊連結，一塊接一塊像積木一樣地接續堆疊。 3. 從「數學」的觀點來看，馬達與驅動器的組成(如圖3 所示) 從這個角度看，硬梆梆的馬達瞬間變成了一條飄渺的數學式，用專屬的特 性參數﹝Kt 、Km ﹞展現。控制策略或演算法與馬達的互動關係，也得轉換成 對等的數學式，如此才推算其微分方程式或線性代數矩陣，再利用現代控制法 則來瞭解其特徵狀態，以利設計與討論。 * T ω m i* i T − L ω Kis kl 1 e K m m K +