伺服驱动与运动控制基本原理

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9.2_線性馬達的種類_軸心型
軸心型線性馬達
■外型與螺桿相似, 容易替換 優 螺桿機構. 點 ■組裝簡單. ■無法延伸固定子, 長度受限. 缺 (固定子過長會有下垂問題) 點 ■重載下不適用於高加減速. 適 ■定位加工, 高速搬送. 用
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9.3_線性馬達的優點_速度
伺服馬達 + 螺桿驅動
高速運轉時,會發生共振現象 伺服增益無法提升.
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1.4_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.
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1.4_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.
馬達額定轉矩 (製品規格) = 30 Nm 現在輸出轉矩 = 30 * ( 5 / 3 ) = 50 Nm ( 166.66% )
轉矩指令
額定速度設定 = 6 V (可設定)
速度指令
指令電壓 = 4 V
馬達額定轉速 (製品規格) = 3000 rpm 現在輸出速度 = 3000 * ( 4 / 6 ) = 2000 rpm
皮帶張力
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8.2_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 & Pully
DD 馬達
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9._線性馬達
線性馬達 Linear Motor 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.
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9.1_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.
伺服性能降低.
線性馬達驅動
伺服性能不變.
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9.8_線性馬達的優點_優越的擴充性
伺服馬達 + 螺桿驅動
要在同一個直線上作多軸的動作.
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
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
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9.9_線性馬達的優點_低噪音
伺服馬達 + 螺桿驅動
高速動作時,容易發生 較大的噪音.
線性馬達驅動
沒有機械結構的接觸 噪音可降至極小.
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9.10_線性馬達的優點_免保養
伺服馬達 + 螺桿驅動
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.
線性馬達驅動
沒有機械結構的接觸 不需要作保養.
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9.2_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
■線圈與鐵心組合成可動子 優 推力較大. 點 ■單側永久磁鐵, 價格較低 缺 ■因永久磁鐵與鐵心相互吸引 點 推力輸出平順度較差. 適 ■定位加工, 高速搬送. 用
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9.2_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
■可動子雖然有鐵心, 但是兩側 優 的吸引力相互抵銷, 推力輸出 點 平順. ■推力輸出大 缺 ■體積較大. 點 適 ■動態加工, 補間加工. 用
10kg φ200mm
負載慣量 = 0.05 kg m
2
負載慣量 = 0.95 kg m
2
迴轉中心 300mm
10kg φ200mm 16
3.4_容量選定_選定的計算公式
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3.5_容量選定_適用馬達的條件
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.
印刷設備輸送帶 連續使用領域 使用例
機械手臂 反覆使用領域 使用例
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2.1_伺服驅動器與變頻器的差異_01
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2.1_伺服驅動器與變頻器的差異_02
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2.1_伺服驅動器與變頻器的差異_03
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3.1_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.
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
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1.1_馬達的種類
馬達 種類 感應馬達 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. 歩進馬達 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. 小型電子設備,液晶設備 半導體設備. 伺服馬達 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. 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…
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9.1_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).
伺服馬達 編碼器
線性馬達
光學尺
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9.2_線性馬達的種類_無鐵心型
無鐵心型線性馬達
■可動子沒有鐵心, 在低速下的 優 速度較平順. 點 ■馬達為扁平型, 省空間. 缺 ■因固定子需雙永磁, 成本高. 點 ■推力輸出較小. 適 ■動態檢測, 塗布設備. 用
絶對式編碼器 原點判斷方式
現在位置 = 計數圈數 x (脈波數/rev) + 編碼器位置
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6.2_編碼器的種類_絶對式編碼器
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.
傳統編碼器 電池位置
編碼器電池
新型編碼器 電池位置
編碼器電池
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9.11_線性馬達的優點_環境對應佳
伺服馬達 + 螺桿驅動
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.
線性馬達驅動
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.
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10. 通信式運動控制
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10.1_傳統式的伺服控制方法
傳統式運動控制原理
伺服驅動器
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1.4_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.
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1.4_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
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1.4_伺服馬達特性
負載輕量化之後, 加速度可大幅提升
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9.5_線性馬達的優點_定位精度
伺服馬達 + 螺桿驅動
・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.
線性馬達驅動
・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)
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線性馬達驅動
直接驅動負載,影響速度 因素小,易實現高速化.
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9.4_線性馬達的優點_加速度
伺服馬達 + 螺桿驅動
加速度=
線性馬達驅動
加速度=
Torque JL+JB+JC+JM
JL=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+m
M=負載質量 m=馬達可動子質量
即使將負載輕量化,提升效率也不高
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%. 重力
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3.7_容量選定_剎車的應用
剎車的應用 為防止馬達在SERVO OFF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 SERVO OFF的動作 以防止負載發生異常撞擊.
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6.1_編碼器的種類_増量式編碼器
增量式編碼器 動作原理
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6.1_編碼器的種類_増量式編碼器
增量式編碼器 原點判斷方式
1 rev
Home offset
C相
ห้องสมุดไป่ตู้
/ DEC sensor
Machine home pos
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6.2_編碼器的種類_絶對式編碼器
絶對式編碼器 動作原理
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6.2_編碼器的種類_絶對式編碼器
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5.3_位置指令
位置指令硬體回路
單相 信號格式
Line drive 5V 差動信號
Open collector 5V 12V 24V 信號
雙相信號 組合格式
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5.4_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)
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3.2_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.
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3.3_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.
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舊型的傳輸方式_脈波傳輸
新型的傳輸方式_串列信號傳輸
16,384 32,768 65,536 131,072 …
7.1_伺服馬達與機械的組合
螺桿 時規皮帶
齒輪
齒輪&齒條
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8.1_定位精度提升
影響定位精度 回轉 直線運動 螺桿 時規皮帶 + Pully 齒輪 & 齒條
回轉 回轉運動 減速機 時規皮帶 + Pully
未對應
對 應
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4.1_伺服馬達的動作原理
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4.2_伺服馬達的轉矩控制
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4.3_伺服馬達的速度控制
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4.4_伺服馬達的位置控制
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5.1_各種控制模式指令
類比電壓指令
V
V
類比電壓指令
數位脈波指令
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5.2_轉矩 與 速度指令
指令電壓 = 5 V 額定轉矩設定 = 3 V (可設定)
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6.3_編碼器的傳輸方式
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 20 bit 編碼器 (1,048,576 pulse/rev).
製品 特長
構造
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1.2_何謂伺服馬達
伺服馬達 (SERVO MOTOR) 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.
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1.3_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
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3.6_容量選定_馬達的轉子慣量
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. 伺服馬達轉子
中慣量馬達轉子
低慣量馬達轉子
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3.7_容量選定_剎車對應
控制 特長
實際 應用
風扇,邦浦,天車 空調,空壓,輸送帶.
外觀
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1.1_馬達的種類
馬達 種類 感應馬達 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 ) 歩進馬達 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. 伺服馬達 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.
9.6_線性馬達的優點_反覆定位精度
伺服馬達 + 螺桿驅動
・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.
線性馬達驅動
・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.
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9.7_線性馬達的優點_行走行程延伸
伺服馬達 + 螺桿驅動
速度指令(值) 位置指令(值)
控制器
位置指令(值) 速度指令(值)
3,000
1,200,000
1,200,000
3,000
脈波計數迴路 類比輸入迴路 類比輸入迴路
轉矩指令(值)
脈波輸出迴路 類比輸出迴路 類比輸出迴路
轉矩指令(值)
80.00
80.00
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10.1_傳統式的伺服控制方法
IN_SVON信號 IN_異常Reset IN_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Ready OUT_位置回饋 OUT_異常狀態………