伺服驱动与运动控制基本原理

1伺服驅動&運動控制_基本原理介紹台灣安川開發科技(股)有限公司亞特控制系統股份有限公司黃俊峰1.1_馬達的種類馬達種類感應馬達歩進馬達伺服馬達控制特長轉矩,速度控制馬達體積較大,效率較差但是成本低,多半會加裝變頻器搭配控制.位置控制馬達體與驅動器積小,成本低,但因多半為開迴路控製,所以會有失歩的問題對應容量範圍小.轉矩,速度,位置控制閉迴路控制,使用同歩馬達設計,精度與效率非常高需與驅動器整套搭配用在高精度定位需求.實際應用風扇,邦浦,天車空調,空壓,輸送帶.小型電子設備,液晶設備半導體設備.液晶,半導體,電子設備工具機,射出成形,機器人印刷設備,捲線設備…外觀21.1_馬達的種類馬達種類感應馬達歩進馬達伺服馬達製品特長製造成本低,精度差可選擇變頻器搭配達到速度或轉矩控制.(省能源的優點)用在定位控制上,但因有失歩問題存在,一般用在較較不考慮精度的搬送應用需搭配專用驅動器靜止時安定性佳.使用同歩馬達,成本較高馬達體積小,輸出效率高速度,位置控制精度佳需搭配專用驅動器定位停止時會有修正現象.構造31.2_何謂伺服馬達伺服馬達(SERVOMOTOR)拉丁語SERVUS(英文為SLAVE奴隸之意)1934年由H.L.Hazen所命名意指如何下命令給它,它都會遵照所下達的命令來執行.41.3_伺服馬達功用高速與高精度定位高響應速度跟隨高效率轉矩輸出51.4_伺服馬達特性連續使用領域連續運轉下允許的動作範圍領域.反覆使用領域相較於額定轉矩可輸出額定轉矩的250%-350%轉矩.61.4_伺服馬達特性連續使用領域藍色區域,不管轉速如何皆能達到相對應輸出轉矩.反覆使用領域紅色區域,在規範的時間可以達到超過100%輸出轉矩,但有時間上的限制通常在加/減速時使用.71.4_伺服馬達特性反覆使用領域轉矩輸出允許時間馬達在輸出超過100%轉矩時,會有出力時間上的限制,時間會依馬達的容量,搭配驅動器等條件有所差異.81.4_伺服馬達特性反覆使用領域的應用在伺服控制時,通常在加速與減速時會使用到反覆使用領域轉矩輸出.加速定速減速91.4_伺服馬達特性連續使用領域使用例反覆使用領域使用例印刷設備輸送帶機械手臂102.1_伺服驅動器與變頻器的差異_01112.1_伺服驅動器與變頻器的差異_02122.1_伺服驅動器與變頻器的差異_03133.1_伺服馬達的容量選定伺服馬達的容量選定在各種設備不同的應用中伺服馬達的容量會依負載重量(慣量)動作條件動作特性等條件選定.143.2_容量選定_負載的規格負載的規格不同的負載尺寸,重量與材質對於伺服馬達會有不同的出力特性以及需要的轉矩.153.3_容量選定_負載的慣量負載的慣量(迴轉的負載)相同的負載,在不同的機構條件下,所計算出的負載慣量會有所差異.離迴轉中心越遠,負載的物理迴轉慣量就越大.10kgφ200mm10kgφ200mm迴轉中心300mm負載慣量=0.05kgm2負載慣量=0.95kgm2163.4_容量選定_選定的計算公式17適用馬達的條件透過容量選定計算若滿足右側的條件所選定伺服馬達即可以適用於設備的動作.3.5_容量選定_適用馬達的條件18馬達的轉子慣量伺服馬達的轉子慣量在容量選定時,也會影響選定結果.一般會依動作需求來做選定.負載慣量大,動作頻率低選擇中慣量形伺服馬達.負載慣量小,重量輕,動作頻度高選擇低慣量形伺服馬達.3.6_容量選定_馬達的轉子慣量伺服馬達轉子中慣量馬達轉子低慣量馬達轉子19剎車對應在設備上垂直的運動需求,為防範馬達在斷電時沒有動力而導致負載或工件墜落的問題,馬達有提供剎車選用.馬達的剎車為保持式(非制動式)正常使用方式應停止後,再作動一般馬達所附設的剎車為力道為馬達額定轉矩的150%.3.7_容量選定_剎車對應重力20剎車的應用為防止馬達在SERVOOFF後(馬達停止激磁,沒有力量輸出)與剎車動作開始之間沒有保持力伺服驅動器有提供自動延遲SERVOOFF的動作以防止負載發生異常撞擊.3.7_容量選定_剎車的應用未對應對應214.1_伺服馬達的動作原理224.2_伺服馬達的轉矩控制234.3_伺服馬達的速度控制244.4_伺服馬達的位置控制255.1_各種控制模式指令VV類比電壓指令類比電壓指令數位脈波指令265.2_轉矩與速度指令速度指令額定速度設定=6V(可設定)指令電壓=4V馬達額定轉速(製品規格)=3000rpm現在輸出速度=3000*(4/6)=2000rpm轉矩指令額定轉矩設定=3V(可設定)指令電壓=5V馬達額定轉矩(製品規格)=30Nm現在輸出轉矩=30*(5/3)=50Nm(166.66%)275.3_位置指令位置指令硬體回路LinedriveOpencollector5V差動信號5V12V24V信號單相信號格式雙相信號組合格式285.4_通信指令通信指令優點■串接式通信,省配線與空間(降低成本)■不需做接頭製作與初期I/O確認(省人力成本)■支援各式控制模式與應用■提升設備性能(精度與速度兼具)■即時讀取馬達與驅動器的状態(設備等級提升)296.1_編碼器的種類_増量式編碼器增量式編碼器動作原理306.1_編碼器的種類_増量式編碼器增量式編碼器原點判斷方式C相1revHomeoffset/DECsensorMachinehomepos31絶對式編碼器動作原理6.2_編碼器的種類_絶對式編碼器326.2_編碼器的種類_絶對式編碼器現在位置=計數圈數x(脈波數/rev)+編碼器位置絶對式編碼器原點判斷方式336.2_編碼器的種類_絶對式編碼器傳統編碼器電池位置新型編碼器電池位置編碼器電池考量到使用者的便利性原本在驅動器側裝設的電池,移到編碼器信號線上做裝設有助於試運轉的便利性.編碼器電池編碼器電池346.3_編碼器的傳輸方式舊型的傳輸方式_脈波傳輸新型的傳輸方式_串列信號傳輸16,38432,76865,536131,072…編碼器的傳輸方式舊式的伺服馬達編碼器大多以脈波方式做傳輸但考慮到脈波“頻寬“的問題,各家廠商都在新製品上開發“通信型“的傳輸方式.優點就是馬達解析度不受頻寬限制.目前市面上解析最細的規格為20bit編碼器(1,048,576pulse/rev).357.1_伺服馬達與機械的組合螺桿齒輪時規皮帶齒輪&齒條368.1_定位精度提升回轉直線運動回轉回轉運動螺桿時規皮帶+Pully齒輪&齒條減速機時規皮帶+Pully影響定位精度皮帶張力378.2_定位精度提升_直接驅動伺服馬達＋螺桿線性馬達伺服馬達＋時規皮帶&PullyDD馬達389._線性馬達線性馬達LinearMotor直線方向運動馬達運動方向不需要透過機構的轉換出力方向即為直線方向.399.1_線性馬達的構造_01線性馬達的構造基本上與伺服馬達的原理相同回轉型伺服馬達的定子(線圈)還有轉子(永久磁鐵)展開成平面的方式.409.1_線性馬達的構造_02線性馬達的構造伺服馬達上需要閉迴路控制的需求,在線性馬達上需要相同的架構.差異是由編碼器(回轉型)轉換成光學尺(直線型).編碼器光學尺伺服馬達線性馬達419.2_線性馬達的種類_無鐵心型無鐵心型線性馬達優點■可動子沒有鐵心,在低速下的速度較平順.■馬達為扁平型,省空間.缺點■因固定子需雙永磁,成本高.■推力輸出較小.適用■動態檢測,塗布設備.429.2_線性馬達的種類_附鐵心單永磁型附鐵心單永磁型線性馬達優點■線圈與鐵心組合成可動子推力較大.■單側永久磁鐵,價格較低缺點■因永久磁鐵與鐵心相互吸引推力輸出平順度較差.適用■定位加工,高速搬送.439.2_線性馬達的種類_附鐵心雙永磁型附鐵心雙永磁型線性馬達優點■可動子雖然有鐵心,但是兩側的吸引力相互抵銷,推力輸出平順.■推力輸出大缺點■體積較大.適用■動態加工,補間加工.449.2_線性馬達的種類_軸心型軸心型線性馬達優點■外型與螺桿相似,容易替換螺桿機構.■組裝簡單.缺點■無法延伸固定子,長度受限.(固定子過長會有下垂問題)■重載下不適用於高加減速.適用■定位加工,高速搬送.45伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動高速運轉時,會發生共振現象伺服增益無法提升.直接驅動負載,影響速度因素小,易實現高速化.9.3_線性馬達的優點_速度46伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動加速度=即使將負載輕量化,提升效率也不高加速度=負載輕量化之後,加速度可大幅提升TorqueJL+JB+JC+JMJL=負載之慣量JB=螺桿之慣量JC=聯軸器之慣量JM=馬達之慣量推力M+mM=負載質量m=馬達可動子質量9.4_線性馬達的優點_加速度47伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動・使用半閉迴路的方式驅動負載.・螺桿會有彎曲及背隙的問題産生.目標値與實際値之位置較容易産生誤差.・以全閉迴路的方式,直接驅動負載.馬達定位精度可達到1μm以下(取決於光學尺之解析度)9.5_線性馬達的優點_定位精度48伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動・馬達發熱・螺桿與滑台部因高頻的反復動作所摩擦産生的熱,造成螺桿膨脹,進而影響到定位精度.・雖然馬達運轉會生熱,但會向周圍做熱傳導的介面極小,故可確保高精度之定位.9.6_線性馬達的優點_反覆定位精度49伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動伺服性能降低.伺服性能不變.9.7_線性馬達的優點_行走行程延伸50伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動要在同一個直線上作多軸的動作.需要裝設多個以上的傳動機構.・大幅增加成本.・裝設範圍内需設置非可動部.會占據部分的空間要在同一個直線上作多軸的動作.同一固定子上,可設置多軸的可動子.・構造簡單.・對毎軸的可動子來説,移動行程増加.易提升生産性9.8_線性馬達的優點_優越的擴充性51伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動高速動作時,容易發生較大的噪音.沒有機械結構的接觸噪音可降至極小.9.9_線性馬達的優點_低噪音52伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動機械結構的接觸較多所以需要作定期的潤滑與損耗之保養.沒有機械結構的接觸不需要作保養.9.10_線性馬達的優點_免保養53伺服馬達+螺桿驅動線性馬達驅動回轉驅動所接觸之機械結構會産生油汚的飛散較難實現無塵的作業環境.沒有機械結構的接觸不會産生油汚的飛散容易實現無塵的作業環境.9.11_線性馬達的優點_環境對應佳5410.通信式運動控制55伺服驅動器10.1_傳統式的伺服控制方法控制器位置指令(值)1,200,000脈波輸出迴路速度指令(值)3,000類比輸出迴路類比輸出迴路轉矩指令(值)80.00速度指令(值)3,000脈波計數迴路位置指令(值)1,200,000類比輸入迴路類比輸入迴路轉矩指令(值)80.00傳統式運動控制原理5610.1_傳統式的伺服控制方法IN_SVON信號IN_異常ResetIN_控制模式切替IN_轉矩限制IN_增益切替IN_位置指令IN_速度指令IN_轉矩指令OUT_伺服ReadyOUT_位置回饋OUT_異常狀態………57最高速度:3m/sec允許最小精度=3m/sec/1Mpulse/sec=3μm最小精度:0.1μm允許最高速度=0.1μm×1Mpulse/sec=0.1m/sec10.1_傳統式的伺服控制方法脈波指令頻寬:1Mpps線性馬達傳統型伺服驅動器脈波指令型控制器58伺服驅動器10.2_通信式的伺服控制方法控制器位置指令(值)1,200,000速度指令(值)3,000通信迴路轉矩指令(值)80.00速度指令(值)3,000位置指令(值)1,200,000通信迴路轉矩指令(值)80.00通信式運動控制原理控制資料(值)5910.2_通信式的伺服控制方法線性馬達通信型伺服驅動器通信指令型控制器最小精度:0.015625μm馬達最高速度=5m/sec60■串接式通信,省配線與空間(降低成本)■不需做接頭製作與初期I/O確認(省人力成本)■支援各式控制模式與應用■提升設備性能(精度與速度兼具)■即時讀取馬達與驅動器的状態(設備等級提升)10.3_通信式運動控制優點6111.運動控制器6211.1_控制器種類PLC控制器運動控制器PCBase控制器NC控制器63PLC運動控制器程序控制主要控制電磁閥,繼電器…等電