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1、三菱伺服系統教育訓練講義,課程名稱：三菱泛用AC伺服系統基本及應用,何 謂 伺 服,SERVO語源自拉丁語，原意為奴隸的意思，取原意稱“依指令確實執行動作之驅動裝置；能夠高精度的靈敏動作表現，自我動作狀態 常時確認”。日本工業規格JIS定義：伺服機構是將物体的 位置、方位、姿勢等的控制量，將目標的任意 變化追隨、構成控制系統,伺 服 機 構 系 統,伺服機構系統，大致上可分為下例幾項：1.指令部：動作指命信號的輸出裝置。2.控制部：接收控制指令，並驅動馬達的裝置。3.驅動、檢出部：驅動控制對象、並檢出狀態的裝置。,伺 服 馬 達 的 種 類,伺服馬達的種類，大致可區分成：1.同步形：採用永磁式
2、同步馬達，停電時發電效應，因此 煞車容易，但因製程材料上的問題，馬達容量 受限制。迴轉子：永久磁鐵；固定子：線圈2.感應形：感應形馬達與泛用馬達構造相似，構造堅固、高速時轉矩表現良好，但馬達較易發熱，容量(7.5KW以上)大多為此形式。迴轉子、固定子皆為線圈3.直流形：直流伺服馬達，有碳刷運轉磨耗所產生粉塵的問 題，於無塵要求的場所就不宜使用，以小容量為 主。迴轉子：線圈；固定子：永久磁鐵；整流子：磁刷,SM 同 步 形 伺 服 馬 達,特長優點：1.免維護。2.耐環境性佳。3.轉矩特性佳，大轉矩。4.停電時可發電剎車。5.尺寸小、重量輕。6.高效率。,缺點：1.AMP較DC形構造複雜。2.M
3、OTOR及AMP必需1：1 搭配使用。3.永久磁石有消磁的可能。,IM 感 應 形 伺 服 馬 達,特長優點：1.維護容易。2.耐環境性佳。3.高速時，轉矩特性佳。4.可製做大容量，效率佳。5.構造堅固。,缺點：1.小容量機種，效率差。2.AMP較DC形構造複雜。3.停電時，無法動態剎車。4.隋溫度變動影響特性。5.AMP與MOTOR必需1：1 使用。,DC 直 流 形 伺 服 馬 達,特長優點：1.伺服驅動器構造簡單。2.停電時可發電剎車。3.體積小、價格低。4.效率佳。,缺點：1.整流子週邊需定期保養。2.碳刷磨耗產生(碳粉)，無法 應用於要求凊絜的場所。3.因整流器碳刷的問題，高速 時轉
4、矩差。4.永久磁石有消磁的可能。,ENCODER 的 種 類,ENCODER的種類：1.相對值形編碼器2.絕對值形編碼器,相 對 值 編 碼 器,Incremental Encoder：回轉圓盤上有很多的光學刻度設計，當發光二極体的光源通過固定式刻度盤、回轉圓盤時。隨時檢測出刻度變換的相對電氣信號位置裝置。當回轉圓盤轉動時，連續脈波數的累計數值取得。,絕 對 值 編 碼 器,Absolute Encoder：馬達軸安裝絕對值編碼器，常時對馬達軸位置做儉測工作。及脈波計數工作，當斷電再復電後不需再做原點復歸。,INC及ABS指令方式,位置決定時的位置指命方式：1.INC：必需對位置值加以計算，R
5、oll等、往返運動時一定位 置量的控制系統。2.ABS：直接下達位置值，可用於XY軸、table等，一般的機械 均可使用。於指命程式中較為簡便。,伺 服 的 原 理 構 成,伺服系統的最大特色，透過回饋信號的控制方式可做指令值與目標值的比較，因而大幅減少誤差狀況。何謂回饋信號；向控制對象下達指令後，正確的追蹤並查明現在值，且隨時回饋控制內容的偏差值、待目標物到達目的地後，回饋位置值，如此反覆動作。控制流程，檢測機械本體之位置檢出，回路為封閉系統，稱之為閉回路。相反，檢測馬達軸或機械軸端，之回路系統就稱為半閉回路。,伺 服 控 制 回 路 的 組 成,SERVO內部信號流程圖：,依回饋方式可分為
6、三種：1.位置回路：編碼器脈波信號 位置控制單元2.速度回路：編碼器脈波信號 速度控制單元3.電流回路：編碼器脈波信號 電流控制單元,各控制回路的響應速度依序為：電流 速度 位置,定位方式比較,控制模式種類,位 置 控 制 模 式,位置控制的區分：1.半閉迴路控制馬達軸端 檢出2.半閉迴路控制螺旋導桿 軸端檢出3.全閉迴路控制機械位置檢 出,使用AC伺服馬達於位置控制，一般是指由與伺服馬達 軸心一體化的位置檢出器(編碼器、角度檢測器等)取得 回授訊號，當與位置指令量一致時，使馬達軸停止之 控制，並執行伺服鎖定之機能（SERVO LOCK。）,(位置控制模式),腳位說明(一),適用於位置控制,A
7、C伺服馬達用於位置控制，以用途分別可區分為2大項,1.點至點的控制(POINT TO POINT)：,B,A,a.點至點控制,不重視走行路,2.輪廓控制(補間控制)：,B,A,a.直補間,B,A,b.圓弧補間以A-B間為直徑的圓弧,步進馬達與AC伺服差異,一般使用於定位控制之定位方式，步進馬達的使用率不比AC伺服馬達來得少(依機械特性而言)。步進馬達沒有像伺服馬達般的檢出器做回授控制，完全因應指令做電氣角度的回轉。屬於開迴路的控制、使用簡單、多使用於小形搬運機執行點到點的定位控制。,優點價格便宜簡單、使用容易,缺點不穩定、易受干擾高速時轉矩小低分解能容量小(200W以下),位 置 定 位 控
8、制 基 礎,伺服系統的位置精度：伺服馬達1回轉的機械移動量。伺服馬達1回轉的Encoder脈波數。機械系統的間隙問題，機械精度。,伺服系統、位置決定控制的基礎：單位：Pulse；mm；inch；degree例）指令脈波頻率？定位模組 馬達1回轉所需脈波數Pulse 馬連1回轉移動量mm AMP電子齒輪比 電子齒輪比分子 電子齒輪比分母,速 度 控 制 模 式,AC伺服馬達與其它一般的可變速裝置：(變頻器、直流馬達、渦電流繼手形可變速馬達等)一樣，運轉速度可變換。其特長：a.緩起動、停止機能：加減速時產生的衝擊，加速及減速的變動率。b.廣大的速度控制範圍：從低速至高速之間的控制範圍(1：1000
9、 5000)速度控制範圍內、定轉矩 特性。c.速度變動率小：即使負載變動，速度依然不會有太大的改變產生。,(速度控制模式),腳位說明(二),轉 矩 控 制 模 式,AC伺服馬達以電流做高精度的輸出轉矩控制。一般的用途為位置控制或速度控制時速度偏差的結果所做電流控制。由外部直接控制電流值亦可控制馬達的輸出轉矩如膠布機等張力控制可運用。,a.張力控制時，卷取的滾輪半徑越大時、負載轉矩相對增加。伺服馬達的輸出 轉矩相對增加。b.卷取途中材料切斷時，負載瞬間變輕，但馬達高速回轉，此時伺服馬達的輸 出轉矩減少。c.使用轉矩控制運動時，必需留意馬達的溫度與轉矩特性的關係。,三菱泛用伺服分類,1.MR-C系
10、列：30W400W2.MR-J系列：50W3.5KW3.MR-J2系列：50W3.5KW4.MR-J2-Super系列：50W7KW5.MR-H-N系列：50W55KW(30KW 50KW為440V)6.MR-E-A/AG系列:100W2KW7.MR-Jr系列:10W30W,A-type：泛用標準界面(MR-J2-A、MR-J2S-A、MR-HAN)B-type：SSC-NET(BUS-LINK)(MR-J2-B、MR-J2S-B MRHBN)C-type：1軸控制內藏(MR-J2-C、MR-HACN),三菱泛用伺服組成,MELSERVO演進圖,產業界的需求,1980,生產性向FMS,機能、性
11、能,技術革新,占有率(%),POWER TRANSISTOR 模組化釹鐵磁石8、16BIT微處理,1985,免保養高速應答、CIM低價位化,1990,1995,2000,2005,年,小型化低噪音省配線化,規格對應耐環境性高速高性能,網路化開放化,診斷機能,d-q變換(向量控制),32BIT微處理,CAE,高密度實裝技術,IPM,DSP RISC微處理,具有機械系控制邏輯,網路技術,5%,10%,17%,23%,30%,35%,A,SA、SB,J,C,H,J2-Super,J2,依控制器脈波列作定位與汎用SV同時展開,全數位式伺服無線的放大器BUS形的AMP開發d-q軸控制,筆記本大小之普及型
12、之開發內含自動調諧機能,標準ABS編碼器標準CE、UL規格依馬達ID識別高密度捲線及連結CORE，因此馬達小型化,機械分析機能適應制振控制機械仿真機能增益搜尋機能,MODEL適應控制即時自動調諧SERIAL高速SCNET BUS對應採用32 BIT RISC CPU共振濾波器,產業界最小之SERVO AMP內含IPM,產品特長,基本性能提升(發揮機械性能之極限),應答頻率、編碼器解析度提升,使用方便、安裝時間縮短,高性能即時自動調諧伺服馬達種類齊全共振濾波器、適應制振控制,整體支援含有機械系,模式適應控制機械分析機能、機械仿真機能增益搜尋機能,耐環境、規格、與既有品可互換,耐振動提升海外規格、
13、馬達保護構造伺服馬達ID外形尺寸、安裝、各信號的互換性,MR-J2高應答版,產品區分,性能,容量(W),10,30,50,100,400,1000,3.5K,22K,55K,100K,MR-J2-JrDC24V,1030W,MR-H5022KW,MR-J2503.5KW,3055KW,MR-H400V大容量,MR-J2 SUPER,MR-C30400W,7KW,30KW,50W,形名構成,伺服驅動器,M R-J 2 S-1 0 A 1,無:三相AC200V、單相AC230V，1:單相AC100V(預定販賣),A:標準脈波列、類比I/F，B:SSCNET,10、20、40、60、70、100、2
14、00、350、(500、700),伺服驅動器系列名,伺服馬達,H C-K F S 0 5 3,軸端加工 K:槽鍵 D:D型軸,減速機:G1、G1H、G2,電磁剎車:B:附電磁剎車,額定旋轉速度 r/min 1:1000 2:2000 3:3000,額定輸出 05:50W70:7KW,馬達系列 MFS、KFS、SFS、RFS、UFS 串列通信用,伺服馬達系列名,於既有之型名追加Super之S減速機與既有品相同外形尺寸及安裝具互換性,馬達容量區分,對應之伺服驅動器(MR-J2-SUPER系列),HC-系列,旋轉速度 r/min額定/最高,容量(W),30,50,100,500,750,850,10
15、00,2000,3000,3500,7000,用途,小容量,低慣性KFS,新規開發,超低慣性MFS,中容量,中慣性SFS,低慣性RFS,扁平型,扁平型UFS,3000/4500,3000/4500,1000/1500,2000/3000,3000/3000,3000/4500,2000/3000,3000/4500,皮帶驅動裝置ROBOT,嵌入機插件機,運輸裝置繞線機X-Y TABLE食品機械,高頻度定位裝置,食品機械ROBOT縫紉機,KFS馬達慣性為MFS馬達之35倍，可構築更安定的系統,使用方便,應答頻率,0,100,200,300,400,500,600,700,Hz,年,1990,19
16、92,1994,1996,1998,2000,J,J高應答,J2,J2高應答,J2-Super,波特圖,-3db所對應之頻率,增益(db),頻率(Hz),J2-SUPER,-3db,550,2002,高性能,定位整定時間,運轉模式,指令,定位整定時間,馬達動作,條件,伺服馬達:HC-MFS13伺服驅動器:MR-J2S-10A負荷慣性比:3倍,定位整定時間,J2-Super,J2,0.9msec,5msec,高性能,編碼器之高解析度化,從小容量到中容量之機種，均採用絕對編碼方式:17bit(131072p/rev)含高解析度編碼器之馬達尺寸與既有品相同同業狀況,標準,準標準,J2-Super,J
17、2,II,MINAS-A,容量,全容量,-750W,1KW-,-750W,750W以上,-750W,750W以上,編碼器(bit),INC/ABS,INC/ABS,INC/ABS,INC,ABS,INC,ABS,INC,ABS,INC,INC/ABS,12,13,14,15,16,17,18,19,20,1KW以上,10000,10000,高性能,高性能即時自動調諧,無論條件多麼嚴格的狀態下，均能正確推定出負荷慣性,例:HC-MFS13、螺桿螺距6mm、負荷慣性瞬時比5.6倍之場合、垂直軸不平 衡負荷20%、磨擦轉矩約15%、加減速轉矩額定之1.4%,HC-MF13,:推定值:實際之負荷慣性瞬
18、時比,30,20,10,0,慣性倍率,時間sec,0,5,10,15,既有自動調諧,啟動,HC-MFS13,:推定值:實際之負荷慣性瞬時比,30,20,10,0,慣性倍率,時間sec,0,5,10,15,高性能即時自動調諧,啟動,新共振濾波器,在機械系剛性低的地方，轉矩傳動部份會有軸共振情形發生。可使用共振濾波器來抑制軸共振，最多可使用2個。,轉矩,傳動機構,負荷機械,頻率(Hz),共振濾波器,於共振點使用共振濾波器,使用方便,適應制振控制,即時自動地檢出共振點並抑制共振。,時間,適應制振控制開始,使用方便,機械分析機能,伺服馬達加振時，機械系的頻率分析開始進行短時間30秒內分析完畢,轉矩,傳
19、動機構,負荷機械,機械系的診斷機械系的模組化與機械仿真軟體組合作最合適的控制,共振點之測定,由電腦作最適調整,增益搜尋機能,定位整定時間為表示從指令終了到定位完了信號,指令,定位整定時間,馬達動作,定位完了信號,搜尋最合適之增益,1,2,3,4,6,7,8,9,增益B,增益A,5,10,11,12,13,15,16,17,18,增益B,增益A,14,最合適之設定結果,1,2,3,4,自動搜尋最合適之增益,由電腦作最適調整,機械仿真軟體(1),全面支援伺服系統之軟體,馬達容量:容量選定軟體機能面:依各種資料檢討性能及特性:依實機測試及經驗 值推定問題點假設要獲得性能及特性時，須對電機品及機械系再
20、檢討、變更及改造，並重新評估運轉模式。時間的損耗大,既有之選定方法,於設計階段，模擬機械系、電機品及運轉模式，可獲得其特性與性能並確認之。在裝置設計階段，可同時使用仿真軟體作電機品的選定，不必等到實機測試。且不用依賴感覺及經驗仍可進行。開發效率大幅提升,仿真軟體方式,由電腦作最適調整,機械仿真軟體(2),指令系情報輸入,模擬結果,輸入機械系情報,亦可從機械分析輸入,由電腦作最適調整,通信介面,RS-232C之場合,RS-422之場合(最大至32軸),RS-232C/RS422轉換模組,擴充性,由J2至J2-Super之變更內容總結,驅動器的演算處理高速化,應答頻率250Hz550Hz,使用更加
21、方便,自動調諧機能提升共振濾波器及適應制振控制增益搜尋、機械分析及仿真機能顯示LED 4位5位,擴充性,SSCNET對應、RS232C、RS422,高解析度編碼器的標準化,13bit(8192)，14bit(16384)17bit(131072),耐環境性提升,馬達保護 小容量等級 IP44IP55耐振動性 小容量 2G5G,使用更加方便,高慣性馬達 HC-KFS系列,操作說明,驅動系種類,自動調諧機能,自動調諧機能,自動調諧機能,搬運 控 制垂 直,伺服的導入控制，機械速度加快 使生產效率提升。,定位停止時的伺服鎖定機能、停 電時防止負載垂直掉落可能，伺 服馬達需附有電磁剎車器機能。,自 動
22、 倉 庫 搬 運 系 統,自動倉庫搬運系統，箱櫃 自動化運送放置定位，利 用伺服驅動系統控制。,卷 取 控 制,紙、膠卷等長尺寸材料處理，大量的分配、卷取、加工處理等，使用領域廣泛、類似加工處理部份不 同，但整體機構均相似。,轉矩控制縱割機,縱割機，加工部份的最後處理工程，卷取部分為切開長條之加工物品。張力控制負載的重量，裁斷器負責 裁切物體。,疊合機，重覆疊合膠卷加工處理。張力控制物品疊合、捲取轉矩調整 控制。膠模印刷機，亦可使用此種機構。,填充機生產設備,充填機設備，大量的瓶子做高速填充 動作處理。依瓶子形狀，當液體填充時所產生的 泡沬位置及填充速度等做速度定位控 制。,利用伺服系統，做食
23、品衛生塑膠膜包 裝技術。膠材的袋狀加工處理，各種食品大小 尺寸對應，包裝後並予以切割處理。,半 導 體 業 界,利用自轉特性，當化學液體滴下時，利用 離心力原理依旋轉速度將液體，平均塗布 在圓盤表面。應用於半導体CD-R生產設備。,半導体製程中，洗淨設備機械。圓盤經過 化學藥劑洗淨溶解污物，需注意各槽間的 銜接處理過程。,一片圓盤上面，有許多的IC晶片組立裝置 檢測並定位組立完成，此動作於高速中進 行。,半導體業界,電子基板的電子部品IC、電阻、電容等 定位安裝技術，於高速中進行。,電子基板的電子零件IC、電阻、電容等 自動定位儉測系統。,射出成型機械,塑膠部品零件的利用製造。以往多為油壓式機械結構，現為全電式 系統代替，重點為轉矩控制之飽壓動作。,
