電機, 又稱馬達, 摩打( motor ).
電機是把電流轉換成機械能的旋轉裝置.
常用於望遠鏡上的有:
1) 直流電機
2) 同步電機
3) 步進電機
4) 伺服電機
5) 直接驅動電機
直流電機( DC motor )
就是用直流電驅動的旋轉電機.
同步電機( synchronous motor )
是交流電機一種, 它的定子有固定的NS極, 會跟隨旋轉磁場同步轉, 所以稱同步電機.
直流電機控制速度方法很簡單, 衹要控制電壓大小便可以控制轉速. 但直流電機的扭力與速度成正比, 所以低速運轉時力度很弱.
交流電機控速方面比較要求高一些, 因為要改變交流電的頻率( frequency ), 不過扭力卻不會因隨速度而改變.
同步電機的優點:
1) 轉速為恆常數, 並不會受負載影響, 衹要提供足夠電流便可
2) 開環式( open loop ) 控制也可控制速度
3) 運行穩定性高, 過載能力大
4) 其結構可容許於低速時提升電能轉換效率
因望遠鏡大部份時間是在低速狀態下運作, 而且扭力穩定亦是好腳架要求條件之一, 所以上世紀70年代, 同步電機是天文同好自制望遠鏡的熱門電機.
還有, 同步電機多配有減速齒輪, 很容易搭配常用144齒的蝸輪齒. 而且在廣東道一帶的二手同步電機又平, 款式又多, 當年我也買了數個, 還珍藏在家裡,
準備日後再自制赤道儀時便大派用場, 同步電機可以說是70~80年代自制望遠鏡同好的至愛.
科學技術是不斷向前進, 踏入20世紀90年代新一款電機面世, 它就是步進電機, 以它獨特的新功能很快便取代同步電機的地位.
步進電機 ( stepper motor )
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移的開環控制元電機件.
工作原理是利用電子電路, 將直流電變成分時供電的, 多相時序控制電流.
我們可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動速度, 從而達到調速目的.
步進電機的轉子上面密布了很多齒,
它靠著這些齒與定子磁極相對實現一步一步的步進運動
轉載自Wikipedia
步進電機的優點:
1) 電機轉速和扭力成反比. 即電機速度增加, 扭力减少. 電機停轉時扭力最大, 這便是步進電機的”保持轉矩” ( holding torque ).
2) 電機旋轉的角度與脈衝數成正比
3) 每步的精度不會將一步的誤差積累到下一步, 因而有較好的位置精度和運動的重複性
4) 起停和反轉回應快
5) 沒有電刷,可靠性較高, 因此電機的壽命僅僅取決於軸承的壽命
6) 電機的回應僅由數位輸入脈衝確定, 因而可以採用開環控制, 這使得電機的結構可以比較簡單
7) 僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉
8.) 由於速度正比於脈衝頻率, 因而有比較寬的轉速範圍
步進電機的缺點:
1) 如果控制不適當, 會產生共振 ( resonant frequency ), 結果產生位置誤差或方向改變, 甚至可完全失去控制
2) 難以運轉到較高的轉速
3) 轉動不順滑.
---可利用”細分驅動器” ( microstepping drive ) 將電機和固有步距角細分成若干小步.
4) 電機因震盪而產生比DC 電機更大的噪音.
---可加上減震裝置—阻尼 ( damper ) 去減少震盪的影響
應用在中大EM500亦道儀同步電機上的黃色減震裝置—阻尼修理 EM500 電子控制板
http://www.hkastroforum.net/viewtopic.p ... D%E5%A4%A7
步進電機能在簡單開環系統中無需位置或速度反饋( feedback )也能達到相當精度, 約數弧分. 因為電腦可利用脈沖數目和步的大小估計望遠鏡的位置.
而同步電機不能做到要望遠鏡去什麽位置的功能, 祇可以做高速或低速的轉動.
所以小型平價的電腦控制望遠鏡多採用步進電機, 漸漸地同步電機便被功能更好的步進電機代替了.
長江後浪推前浪, 一代新人換舊人.
在21世紀初, 幾乎所有中高價的望遠鏡也應用伺服電機系統.
尤其是現今世界Go-to 年代, 一個擁有精確 ---少於1弧秒---的驅動系動, 配合GPS 全球定位是少不了的望遠鏡控制組合.
伺服電機 ( servomotor )
伺服電機又稱執行電機.
轉子的機械運動, 如轉軸的角位移或角速度, 受輸入電信號控制作快速反應的電動機.
伺服電機內部包括了一個小型直流電機；一組變速齒輪組；一個回饋可調電位器；及一塊電子控制板.其中, 高速轉動的直流電機提供了原始動力, 帶動變速（減速）齒輪組,
使之產生高扭力的輸出, 齒輪組的變速比愈大, 伺服電機的輸出扭力也愈大, 也就是說越能承受更大的重量, 但轉動的速度也愈低.
一個微型伺服電機是一個典型閉環 ( close loop ) 回饋系統減速齒輪組由馬達驅動, 其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測, 該電位器把轉角座標轉換
為一比例電壓回饋給控制線路板, 控制線路板將其與輸入的控制脈衝信號比較, 產生糾正脈衝, 並驅動電機正向或反向地轉動, 使齒輪組的輸出位置與期望值相符, 令糾正脈衝趨於為0,
從而達到使伺服電機精確定位的目的.
伺服電機和步進電機的比較:
1) 伺服電機可以做閉環控制, 有反饋, 控制精度可以相當高.
步進電機開環控制, 精度由固定的步進角決定, 精度低. 雖然可以利用細分驅動方式增加準確度, 但礙於多種誤差, 始終不及伺服電機系統的精度.
關鍵的區別就是伺服電機後面有編碼器 ( encoder ) 反饋, 步進沒有, 所以步進電機開環控制精度不高.
2) 伺服電機運行平滑, 在額定轉速下輸出扭力恆定.
步進電機低速運行不夠平滑, 輸出扭力與轉速成反比.
3) 伺服電機有很大的動態寬度, 即望遠鏡慢速追蹤或快速搜尋時也很完美.
步進電機不可能做到高速轉動, 高速時會伴有嘯叫聲.
4) 伺服電機細小, 但扭力大.
5) 伺服電機沒有共震問題.
6) 伺服電機永遠沒有脫步( miss steps ).
步進電機在快速時 ( slewing) 會停下來, 令到電腦控制系統無法偵察到望遠鏡當時的位置.
7) 伺服電機乃自我實時控制的, 所以無須電腦實時控制. 亦即是說同一部電腦在追蹤時可以控制其他軟件, 例如, 攝影, 導星, 操作圓頂室等.
8.) 伺服電機比步進電機更細小.
9) 若果望遠鏡衹用昨追星( tracking ), 便不用額外電腦輔助.
10) 步進電機唯一比伺服電機優勝, 就是價錢便宜.
直接驅動電機 ( direct drive, DC torque motor )
直接驅動電機是最新的驅動裝置, 是電動機的一次大改革, 扭力超强大, 可以直接駁入望遠鏡軸, 直接推動望遠鏡, 無需齒輪減速, 把望遠鏡推向一個”沒有齒輪的年代”.
但價錢非常昂貴, 將另文詳細討論.
伺服電機比起步進電機有許多優點, 但我選取伺服電機主要原因是因為扭力大和均恆, 在高速時也不會有大波動, 而且控制裝置很容易與電腦溝通, 這些優點最適合用於大型望遠鏡控制上.
AE16 電機規格:
Pitman brushless servomotor ---#1303
Pitman encoder --- E30 Incremental Optical Encoder
Pitman gearbox --- G30A Planetary Gearbox
參考資料:
1) Wikipedia
2) 百度百科
3) Mark, Trueblood, Russel Merle Genet, 1997, Telescope Control, Willmann-Bell, Inc., pp168~192 Motor and Motor Controllers
4) ASA ( 直接驅動電機 腳架 )
http://www.astrosysteme.at/eng/mount_ddm85.html
電機供應商:
1) Ametektip (Pittman)
http://www.ametektip.com/
2) ClickAutomation
http://www.clickautomation.com/products/index.php
3) Maxon ( Swiss )
http://www.maxonmotor.com.tw/index.htm
http://epaper.maxonmotor.com/en/
Wongsir
2010-12-13