马达基础知识教育

马达基础知识讲解王月平2009.09.07裁决立案审核批准以下资料仅供大家参考共同学习目录1.Motor基础2.DCServoMotor3.ACServoMotor4.StepMotor5.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.电机的分类电气式传动装置直线运动型旋转运动型磁石式直线式直流电机交流电机同步电机交流整流器电机步进电动机分圈型复圈型直圈型永久磁石型三相型单相型笼型线圈型分相启动式罩极线圈式逆向启动式线圈型永久磁石型滞后型磁阻型通用型反拔型永久磁石型可变磁阻型混合型式3.电机的发展史1820年：D.FARAGO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：WALTERBAILY进行基于顺序直流励磁方式的旋转体系统形成试验。1885年：GALILEOFERRARIS成功进行二相交流旋转试验。1888年：NICOLATESLA成功进行三相交流旋转试验。1890年：WESTINGHOUSE公司的R．GLAMME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BRUSHLESSMotor应用于录音机(RECORDPLAYER)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（A）内部旋转体型（B）外部旋转体型（C）圆盘型示意图马达的侧面图旋转体种类结构图2.DCServoMotor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.DCMotor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。DCMotor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.绕线方法环状绕组线九个电枢槽的电枢的线圈的绕组线4.DCMotor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500[rpm]到50000[rpm]。(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.BrushlessDCMotor结构(a)DC电机(b)无电刷直流电机通过电刷、换向器的作用产生电流(整流)，所以，即使没有回路也可以转动电机。在转子的磁极传感器与驱动回路的作用下产生旋转磁场，所以没有回路电机就不会转动。DCMotor和BrushlessMotor的比较各种rotor型的电机构造(a)外套式转子无电刷电机(b)内嵌式转子无电刷电机（c)磁盘型转子无电刷电机转子为杯状转子为圆柱型转子为圆柱型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,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:1-光源2-透镜6-标尺光栅Gs3-指示光栅Gi4-光电元件5-驱动电路驱动线路123456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0.03~0.1mm的间隙。光栅片:标尺光栅指示光栅提示：我们在拆装马达时,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.ACServoMotor交流伺服电机􀁺什么是ServoMotor？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。􀁺ServoMotor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TORQUE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●ServoMotor的结构照片1转子构造(自冷型)ServoMotor的比较项目DCServoMotorSM型ACServoMotorIM型ACServoMotor适合容量数十W~数KW数十W~数KW数百W以上驱动电流波型直流锯齿波、正弦波正弦波(锯齿波的TORQUE・RIPPLE大)磁极传感器HALL元件不必要OPTICALENCODERRESOLVER不必要速度SENSORDCTGBRUSHLESSDCTGOPTICALENCODERRESOLVERBRUSHLESSDCTGOPTICALENCODERRESOLVER寿命BRUSH寿命BEARING寿命BEARING寿命电机常数受BRUSH电压的制约高压、低电流根据Motor构造，低速对TORQUE高压、低电流有恒定输出功率(弱电磁控制)内环境性恶良良永久强磁石有有无AC、DCServoMotor的特征类别IM型DCServoMotorSM型ACServoMotorACServoMotor优点·停电时能发电制动CONTROLLER·结构简单·小容量低消耗·高POWERRATECORELESSTYPE没有COGGINGTORQUE·MAINTENANCEFREE·内部环境优异·高速、大TORQUE·停电时能发电制动·体积小、重量轻·高POWERRATE·MAINTENANCEFREE·内部环境优异·高速、大TORQUE·大容量效率高·结构坚固缺点·整流子旋转面需要维护·依靠整流子的高速可以使用大TORQUE·磨擦时产生粉末·没有自我启动功能·Motor和CONTROL需要一对一的对应·CONTROLLER略微复杂·小容量时效率低·根据温度特性有变化·停电时无法制动·CONTROLLER略微复杂●ServoMotor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(TIMINGCHART)3.决定精密度4.考虑控制性能(适应性、POWERRATE)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Motor8.选择Motor时要考虑形状、效率、经济性4.StepMotor步进电机1.StepMotor的概要●StepMotor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(OPENLOOP)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.SteppingMotor的种类和结构现在常用的SteppingMotor是以下3种类型:SteppingVR型(可变RELUCTANCE型)MotorPM型(永久磁铁型)HYBRID型(复合型)2相SteppingMotor5相SteppingMotor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。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.StepMotor驱动结构图：信号电路驱动电路位置检测马达3.SteppingMotor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.SteppingMotor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。-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