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技术贴 | XbotPark《电机与控制技术》技术交流会干货总结!

导语:

有报告表明,工商业用电占全国总发电量的80%,而电机用电约占工业总用电的75%,约占全国总发电量的60%,这其中还忽略掉了民用电中的电机耗电量,电机的重要性由此可见一斑。电机,作为几乎是硬科技产品都离不开的东西,电机的基础知识在硬科技创业的技术领域显得尤为重要,XbotPark机器人部落挑选优质内容,带来前沿又实用的技术交流机会,为同学们不间断提供技术支持。

11月5日,XbotPark 机友俱乐部第24期开讲,本期迎来了艾睿电子(Arrow Electronics)和西门子的工程师专家,在松山湖XbotPark机器人部落带来题为《电机与控制技术》的技术交流会。线上与线下共计300多位硬科技领域学子和工程师参与了交流会,包括来自宁波、常州、重庆等基地以及深圳科创学院的同学们。



距法拉第发明第一台电动机到现在已经过去了200年,电机随着电力电子技术的进步经历了漫长的演化,种类逐渐增多,在功率、效率、转速、扭矩等方面的性能也逐渐提升。
本此分享介绍了常见的电机分类,步进、BLDC、PMSM电机驱动,电机测试设备,电机供应商,并引用了几个电机应用案例,介绍了高速风机、3D打印、ST BLDC电机方案、扫地机器人以及工业AGV,以及西门子电机设计仿真软件等。

一、 电机的分类
常见的电机按照结构形式可以做以下划分:

按照其用途可以做以下分类:

二、常见的电机种类介绍
几种常见的电机:
1. 直流有刷电机
直流有刷电机是将直流电转换为机械能的装置,主要由永磁体定子和转子线圈以及电刷构成。电机结构可以简化为下图2.1所示,电刷的正负极如图中标注所示,此时由安培力左手定则可以得出,N极磁铁下面的导体线圈受到水平向左的作用力,同理可以分析得出,离S极较近的线圈受到水平向右的作用力,整个线圈绕组逆时针旋转,当线圈旋转到水平位置时刻,电刷改变绕组中通电电流方向,线圈继续逆时针旋转,直到线圈下一次水平,电刷再次改变线圈通电方向,由此往复,转子线圈得以持续旋转。
实际上聪明的小伙伴可能已经发现了,在图2.1中所示的直流有刷电机原理简化图,在线圈水平时刻,线圈安培力均指向电机轴心,有效转矩为零,此时电机可以靠惯性转过转矩零点,但是如果电机启动的时候,线圈恰巧处于水平位置,电机无法启动,在实际的直流无刷电机中,又是怎么解决这个问题的呢?
直流有刷电机发明较早,发展十分成熟,因为其结构和控制电路简单,因此整套系统也成本较低,在工业和消费电子中均有大量应用。但是其缺点也很明显,由于是电刷换向,其寿命通常较短,而且在换向的时候会产生电火花和噪声。
图2.1
图2.2

2. 交流感应电机

交流感应电机由分布的定子绕组和一个鼠笼式转子或绕组转子组成。在使用的时候,给三相定子绕组通入三相交流电以产生旋转磁场,此时转子导体被动切割磁力线产生感应电动势和电流,进而产生了旋转的转子磁场,两个磁场相互作用,定子因此产生旋转。
因为交流感应电机的转子磁场由转子的感应电流产生,从而省去了昂贵的永磁体成本,
所以其在成本上具有极大的优势,由于本身通入的是交流电,所以在结构上没有电刷这种易损结构,相比直流有刷电机,其在可靠性、效率、噪声等方面都更胜一筹,但是其也有调速性能差、和控制系统成本高等缺点。
3. 直流无刷电机
(1) 由电动机主体和驱动器组成,无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机,又称无换向器电机;
(2) 定子绕组多做成三相对称星形接法,在重量和体积上要比有刷直流电机小的多,相应的转动惯量可以减少;
(3) 由于永磁材料的加工问题,致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下;
(4) 机械特性和调节特性的线性度好,调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷而引起的一系列问题。
直流无刷电动机

直流无刷电动机运行原理
4. 永磁同步电机
(1)以永磁体提供励磁,使电动机结构较为简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷,提高了电动机运行的可靠性;又因无需励磁电流,没有励磁损耗,提高了电动机的效率和功率密度。
(2)是由脉冲宽度调制 (PWM)的三相桥(三个半桥)驱动,以便采用频率幅度可变的电压和电流为电机供电。
(3)更高效、运行更安静、更可靠等优点,已经在冶金行业、陶瓷行业、橡胶行业、石油行业、纺织行业(倍捻机、细纱机)等行业的中、低压电动机中获得业绩,并逐步积累设计和运行经验。
永磁同步电机示意图

永磁同步电机控制原理示意图

5. 步进电机
它的主要特点如下:
(1)一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;
(2)当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(步距角);
(3)可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量,达到精确定位的目的;
(4)可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的;
(5)广泛用于计算机、安保、工业自动化行业的保持和定位应用中。


6.伺服电机

伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种借助马达间接变速装置。一般都是以永磁同步电机主体,通过加装位置反馈装置,来实现精准位置定位。
步进电机和伺服电机同样主要作为控制用电机,其性能对比图如下:

三、电机驱动器介绍
电机驱动器
• 又称为变频器或者变速器,是一种通过改变电机输入信号的频率和幅度来调整电机转速和转矩的控制器。
• 在很多的应用中,不需要电机始终全速运行,要求转速可以实时调节,且不受电源小的波动影响。
• 通过安装或升级电机驱动器 来优化电机控制系统,可以将设备的能耗降低多达 70%。
• 以最有效的速度运行电机,可以延长电机的寿命,减少维护的时间,电机驱动器将为电机提供更好的保护,防止过热过载,相位保护,欠压,过压等问题。
典型的电机驱动器主要分为三大模块:功率转换部分,电子控制系统,机械电机部分。
电机驱动器的主要应用场景:
• 工业和机器人
• 纺织、缝纫和取放机械
• 舞台照明
• 打印机和3D打印机
• 安全和监视
 电机的参数,对于电机的选型有着重要意义常见的电机性能参数包含如下。
电机参数:输入功率,输出功率,额定电流,堵转电流,额定转速,加速度,减速度,震动,噪音,功率因素,效率,堵转转矩,额定转矩,最大转矩,转动惯量,相间绝缘电阻,相对地绝缘电阻等;
从应用角度讲:
• 最高转速,最低转速,转矩(不同转速下),加速度,减速度,震动,噪音,供电电源等等;
• 伺服步进电机特有的定位精度,响应时间等等。

四、电机性能的测量
测功机是电机的主要测量设备,传统测功机主要针对电机的输入电压、电流、输出转速、扭矩进行测量,计算出电机的输入输出功率和效率。
磁粉制动测功机

伺服测功机

电机行业的飞速发展,电机测试项目越来越多,测功机的功能也随之丰富起来,电机行业当前需要对电机与驱动器进行完整的测试与性能分析,电机性能分析,驱动器分析以及对控制特性瞬态波形与控制响应的分析,传统的测功机是无法做到的,图为电机行业测试的新需求。

测功机发展新趋势:
• 由控制模块、系统控制测试模块和被测电机组成,
• 控制模块通过测试设备对被测电机的温度监控、扭矩、转速、功率、母线电流(电压)、基波含量、电机的数据如功率(输出功率)等数据的实时采集、自动记录,
• 对其进行数据处理、二次分析并可实时显示:系统效率、驱动器效率、电机效率、反转电势系数、力矩系数等电机参数。
• 该系统只需要用户在终端电脑上就可以对电源、功率分析仪和测功机三者进行监控,该系统大大的节约了人力资源,提高了实验效率。
 
五、市场上的主流电机供应商
1.松下电机(Panasonic)
• 松下电机成立于1994年,并于2002年实现了独资,
主要负责开展家电和系统商品的批发和售后服务活动;
• 松下电机响应性更高的AC伺服马达“MINAS”系列及受欢迎;
主要产品有运动控制器、AC伺服电机、无刷电机、小型齿轮电机等 
MINAS A6系列产品
2.汇川技术
• 深圳市汇川技术股份有限公司;
• 汇川技术总部位于中国深圳,在中国设有20个子公司,2020年实现销售收入115.11亿元,共有12867名员工;
• 主要产品有运动控制器、全系列电机驱动器、伺服电机、无刷电机、齿轮电机等。

3.方正电机
• 从家用电机供应商转变为新能源驱动电机供应商,并展望成为全球化的驱动电机供应商;
• 从小电机向大型驱动电机迈进;
• 新能源汽车驱动电机及定转子;
• 主要产品有微型电机(AC、DC、BLDC)、新能源汽车电机、新能源汽车电机电机驱动器等
4.雷赛电机
• 一家以步进驱动器、步进电机、多轴运动控制卡、单片机运动控制器、数字式直流和交流伺服系统等为生产项目的科技有限公司;
• 产品已成功进入电子机械、半导体机械、激光机械、纺织印刷、医疗器械等数十个行业领域应用中
5.卧龙电机
• 集电机与控制、输变电、电源电池三大产品链;
• 产品涵盖各类微特电机及控制、低压电机及控制、高压电机及控制、电源电池及输变设备等40大系列3000多个品种;
• 主营各类电机及控制系统,主要分家电类电机、工业类电机及控制类电机三大产品线;主导产品在国内市场占有率达20%以上。
除此之外还有:德昌电机、西门子电机、正科电机、三菱电机等。
 
六、市场上的主流电机供应商
电机应用案例分析主要包含以下内容:高速吹风机,3D打印,ST BLDC电机方案,扫地机器人和AGV。





1.Simcenter 电机仿真软件内容概要
现在的创业或者研发模式已经不在满足于常规模式。快速创新,可持续发展以及客户化定制要求成为主流的诉求。许多的智能硬件对电机都是硬需求,而且对电机的需求都是不同的,不同的应用场景对电机的各个方面的性能,比如说体积大小、持续扭矩、额定转速、使用寿命等等,并且又希望对电机的成本严格控制。
如何快速的设计自己项目中的电机,西门子给出了一款仿真方案Simcenter simulation能够利用数字孪生的手段,根据客户的各种需求,在产品研发早期就能做出最好的决策,从而节约研发周期。
电机本身的结构相对简单,但电机的应用场景非常复杂性。所以电机的设计不应该只关注电机设计本身,同时也更应该匹配它使用的场景,像是退磁、温度、噪声等等。

2.西门子电机设计开V-cycle流程:
 

设计是从需求开始。在电机设计的概念阶段,根据电机使用的系统分解出电机的需求。
有了需求之后,就进入初步设计阶段,通过需求,根据一些方法,利用一些工具,完成电机的初步设计,主要是一些沟槽、绕组、规格、尺寸等常规参数。
随着开发的深入,就出现详细三维等电机数字模型,然后就对数模进行详细分析。基于详细的电机模型分析,可以提前预知电磁、电磁力,反电动势、功率转矩图等参数。
有了三维模型还可以对电机进行验证,也可以做一些系统集成工作。在一些研发项目中的控制策略、驱动策略都可以通过仿真进行验证。
 
西门子对以上研发阶段有着一系列的仿真软件。
在电机需求阶段:(Simcenter Amesim)
电机的需求来自于系统,所以对电机需求进行选型也就是对系统分析。软件中包含有许多复杂的机电产品模型,可以对专用系统进行设计和分析。仿真软甲类似于Matlab的simulink,利用各种组件可以实现复杂的系统模型。对系统模型参数进行约束就可以确定电机的需求边界。从而可以基于得到的电机需求,就可以去现有的电机中查找各种电机类型,对项目需求的电机有一个初步的确定。
 
在电机设计阶段:(Simcenter Speed & Motorsolve)
Simcenter Speed 提供对大多数主要电机类别(例如永磁和电励磁同步、感应、开关磁阻、有刷直流、绕线换向器和轴向磁通)及其驱动器的理论和物理模型的访问。此外,Simcenter Speed 编写了一组预定义的参数和特定映射(例如磁链、损耗和/或效率以及热阻/电容),可以在 Simcenter Amesim 中导入,支持电子机器的系统级仿真融入到它的环境中。这样用户就可以直接将电机的需求导入到这个软甲生成所需要的电机。同时除开模板该软件也支持创新的设计,为客户进行定制化的服务,可以直接同其他软件集成比如FV/FEprograms,PC-FEA,STAR-CCM+,Flux,JMAG。
Simcenter Motorsolve 是用于永磁电机、感应电机、同步电机、电子电机和有刷换向电机的完整设计和分析解决方案。该软件利用有限元分析和直观的界面来精确模拟电机。基于模板的界面易于使用且足够灵活,几乎可以处理任何电机拓扑,并提供定制转子和定子。典型的 FEA 操作,例如网格和求解器细化、绕组布局和后处理(包括 1D 模型的导出)由软件自动执行。可获得性能参数、波形和场图。
这个两个软件可以对电机进行细致的分析,同时也可以将设计出来的电机放回到系统进行联合仿真,查看所设计出来的电机是否符合实际需要,当电机设计完成,制造出来之后也可以连接到这个软件进行监测,同时也可以加入实际的控制策略。



艾睿电子ESC部门应用工程师Ricky Wen与XbotPark机器人部落技术总监Andy Jiang现场展示用ST电机开发套件进行电机转速控制。


主讲人:Rad Li | Arrow AE


主讲人:Ricky Wen | Arrow AE


主讲人:王宗乐 | 西门子高级产品经理




— · XbotPark 机友俱乐部 · —


XbotPark机友俱乐部不定期分享由XbotPark机器人部落主办的各类讲座、培训、交流会、参观等“干货”,内容涵盖围绕机器人及智能硬件的设计开发、商业运营与项目管理等领域。在俱乐部,你将有机会与来自全球高校、研究所、顶级风投、企业、创业团队的“行业大咖”、“技术大佬”和“创业大师兄、大师姐”们面对面交流学习。

学习、套磁、引流……总有一项能满足你!


文字 | 李哲

编辑 | Z.Xian

技术支持 | Andy JIANG


技术交流会PPT资料下载:


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时间
2021 Nov 05
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