馬達控制

電動馬達是全球最大的單一電力消耗來源,使得馬達效能在減少使用日趨耗竭的資源方面扮演著關鍵的角色。

 在全球能源使用量中,大約有 45% 是來自馬達運作(世界能源委員會:2013 調查摘要). )。這種運作方式需要耗用大量電力,但卻是我們日常生活不可或缺的一部分,從小型居家用途 (例如家用電器和工具) 到運輸領域的電車和火車,再到離岸鑽油平台和水壩專用的最大規模工業級馬達,到處都可以看見馬達的身影。

自工業革命以來,人們竭盡所能地利用馬達來為任何裝置提供電力,藉此省下時間和人力。各式的電力裝置為我們創造更輕鬆便利的居家生活,並且提升工作場所的效率與獲利能力。然而,我們必須付出什麼樣的代價?

耗用能源的馬達與環境之間的關係

在化石燃料漸趨耗竭的今日,瀰漫著對於生態與環境的憂慮,專門製作馬達驅動商品的製造商面臨著莫大的考驗。由於大規模的再生能源替代方案始終沒有重大進展,加上非洲、亞洲和南美洲經濟起飛,對於能源的需求提高,伴隨著全球快速成長的人口,使得能源問題日益嚴重。

世界各國的政府陸續採取更多的立法手段來緊縮幾年的能源使用量,而且這種情況只會越來越多。此外,零售端的消費者則更為明智,他們會習慣性地尋找節能產品;同樣地,工業客戶也會試圖將金錢投資在更具效能的設備上。

馬達微型化

除了降低用電量之外,工程師所面臨的考驗還包括將馬達、驅動器和控制器一併擠進更窄小的空間內。配備超大滾桶容量的洗衣機能夠為客戶提供加值的賣點,但洗衣機仍然必須能夠裝設在標準的空間尺寸內。縮小電子元件體積會衍生熱管理問題,為工程師帶來更進一步的設計挑戰。增加冷卻機制只會提高用電量,因此馬達本身必須提升效能層級,才能從源頭減少熱能的產生。

馬達控制架構




馬達控制系統

上圖顯示典型馬達控制系統的內部組件;視馬達、應用和控制層級而定 (若有),會需要使用監控機制。
控制器 - 通常是微控制器或 DSP。需要指令 (例如方向、速度和扭矩),才能用來產生一或多個訊號以驅動馬達 (通常為 PWM)。控制器可能也會收到電流或位置感測形式的反饋,以便提供更精準的控制、馬達保護和故障偵測能力。

驅動器 - 一般而言需要使用驅動器來增強由控制器所產生的訊號,以便為馬達提供足夠的電力。

感測器- 可能會使用分流器或霍爾效應裝置來測量真正的供應電流,藉此提供反饋。實際的馬達位置反饋也可透過電感式/霍爾效應感測器,或是編碼器提供。這項反饋可用來執行更精密的「閉路」控制,提供有關馬達的精確資訊,以便更有效控制輸出。

濾波 - 通常會在馬達控制系統內部各處進行濾波,以便抑制電磁干擾 (EMI) 的來源。濾波類型包括鐵氧體磁心和電感器。

隔離 -- 通常會透過電流隔離將馬達控制器和系統的其他部份加以隔離,因為這些部份可能對瞬態相當敏感,而且也可能會有不同的地電位。

開路和閉路馬達

以最基本簡單的方式來說,開路系統不會整合任何反饋。馬達速度會控制在某個設定點,會因不同的負載條件而異。

閉路系統則會整合反饋,將資訊傳回至輸入階段以便自行調整。因此,當速度控制在某個設定點並且負載改變時,控制器會將速度調回原設定點;這項操作機制的絕佳範例是望遠鏡上的位置馬達,在運作時會經常自行調整以便追蹤所需的座標。

closed Loop diagram

馬達控制產品

使用 ON Semiconductor 整合電力模組,打造更精密、可靠且高效的馬達驅動器。

馬達控制品牌

其他馬達控制資源

馬達類型

一般而言,電動馬達是透過磁力來產生運動。共有兩大馬達類別:AC (交流電) 和 DC (直流電) 馬達。

DC 馬達是最先發明問世的馬達,而且依然是最簡易的馬達形式。DC 馬達的驅動方式,是透過磁場內部的導體來傳送電流,藉此產生轉矩。DC 馬達的主要類型包括有刷 DC 和無刷 DC;其中有刷馬達的發電方式是連接電源兩極,在馬達與毛刷實體接觸時,提供正負電荷給換向器。無刷馬達如名所示,並未配備任何毛刷,而是將永久磁鐵架設在馬達邊緣,因此不需要換向器、連接和刷毛。有刷馬達結構簡易且成本較低,但由於刷毛必須定期清潔與更換,因此需要較繁複的維護。但另一方面而言,無刷馬達在應用上會更為精準,因為其操作需要控制定位,而且附加價值是維護頻率極低或根本不需要維護。然而,凡事必有代價,無刷馬達的製造成本較高,所需的馬達控制器成本可能與馬達本身不相上下。

AC 馬達可分為兩大類:感應和同步馬達;以及第三種較罕見的類型 – 線性 AC 馬達。

從最基本的理論而言,AC 馬達包含兩個主要部分:馬達外部,亦稱為定子 – 馬達的靜態部分 – 外覆線圈在供應交流電的情況下產生旋轉磁場;馬達內部則是連接至軸柄的轉子,用於產生另一個旋轉磁場。線性馬達的操作原理與旋轉馬達相似,但內部是以直線配置動態和靜態部分 – 因此並不會旋轉,而是改以產生線性運動。

感應馬達的命名由來是因為扭矩是利用電磁感應的方式產生。這種操作方式常見於鼠籠式馬達或繞線轉子馬達。
同步馬達與感應馬達的不同之處在於:同步馬達是以線路頻率精確地同步運作。相反地,感應馬達則是仰賴感應電流來產生磁場,並且需要一些「滑動」(稍微緩慢的旋轉) 才能真正感應到電流。

選擇馬達的注意事項

在挑選馬達時,有許多必須留意的關鍵要素:

速度: 您需要馬達以何種速度運轉?這會決定所需的速度控制類型。您是否需要大量的加速時間?
扭矩: 旋轉力的測量是否通常是以 Nm (牛頓米) 為單位?
內建齒輪箱: 內建齒輪箱可用於降低速度並增加扭矩。
功率需求: 您所需要的額定功率為何?是用於滿載、正常負載或輕載?
額定功率: 通常以瓦特 (W) 或馬力 (hp) 為額定單位。請查看一般操作和超載額定值。
電源: 請查看電源要求:電壓和電流,或是特定的控制器。
機械配置: 馬達大小和尺寸通常會依應用用途而定。整體尺寸、軸柄尺寸、安裝點和重量都必須列入考量。

馬達控制產品連結