伺服马达控制理论与实务

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1、伺服馬達控制理論與實務Outline何謂伺服系統？伺服馬達的結構常見的迴授元件馬達驅動原理控制與應用何謂伺服系統？伺服原理伺服(Servo)Servo的語原出至於拉丁語Servus(英文為:Slave奴隸)奴隸的功用是忠實的尊崇主人的命令從事勞力的工作，也就是『依指令確實執行動作之驅動裝置，能夠靈敏動作且高精度到達所需之命令，時常確認自我狀態』具有上述之功能，我們稱之為伺服裝置何謂伺服系統？系統的組成伺服機構系統大致分為下列幾項：上位控制器：發出動作指令信號之輸出裝置驅動器（馬達控制器）：接受動作指令，並驅動馬達之裝置驅動（馬

2、達），迴授（光學編碼器）：驅動機構移動並將其狀態回覆之裝置上位控制器驅動器馬達機構機械負載命令值驅動值轉距迴授、檢出部何謂伺服系統？常見的應用機器手臂加工機搬送機械伺服馬達的結構表面磁石型永磁無刷馬達伺服馬達的結構永磁無刷馬達優勢高效率，高功率密度高短時間鋒值力矩容量低轉子損失良好的動態力矩控制缺點耐高溫容量被磁石限制較高的成本在磁石上無刷DC–梯形反電動勢/方形相電流波形驅動無刷AC–弦波反電動勢/弦波相電流波形驅動伺服馬達的結構永磁無刷馬達的運作原理常見的迴授元件位置、轉速感測器光學式編碼器原理係利用坡璃盤與光電感測器，感

3、測光線的通過/阻斷來達成。光源在坡璃盤的一側上，光電感測器在對面安置因為馬達軸轉動，光電感測器的數位輸出，倚賴脈波的數量，準確的量測軸端的位置與速度的變化。常見的迴授元件位置、轉速感測器增量型編碼器兩組四相限的方波信號(A、B相，相差90°信號)，來解析位置與旋轉方向常見的迴授元件位置、轉速感測器絕對型編碼器可將軸端的角度0~360°分解編碼成二進制碼，或是葛雷碼。常見的迴授元件位置、轉速感測器SIN/COSencoder混和增量型與絕對型編碼器光學圖形以”類比”的方式呈現，一回轉出現sin/cos的類比信號，並且經由外部解析

4、出起始的絕對位置。最外圈的增量型在之後使用。常見的迴授元件位置、轉速感測器RESOLVER轉子線圈注入高頻正弦信號(~10KHz)，透過空間安排正交的定子線圈感應出電壓。兩組空間安排正交的定子線圈，因為轉子轉動，而調變輸出電壓。輸出電壓透過解調器可以得到轉子的角度與速度。常見的迴授元件電流感測器HallEffectDevice經由一次測電流的磁束產生霍爾電壓並經由適當的放大成為輸出電壓。馬達驅動原理驅動基本架構馬達驅動原理驅動基本架構馬達驅動原理變頻器與波寬調變原理利用三角波作為載波，以比較器比較輸入信號與載波信號大小來產生功

5、率晶體切換的信號，其責任週期(dutycycle)乘上直流側電壓大小就是輸出電壓之平均電壓大小。馬達驅動原理正弦波寬調變策略馬達驅動原理座標轉換馬達驅動原理永磁馬達d-q軸模式馬達驅動原理三相交流永磁式同步馬達的向量控制將定子電流分解成id及iq，永磁馬達所產生的電磁轉矩與定子電流在垂直磁通方向的分量(iq)成正比，使定子電流向量全部置於q軸上，即可得到最大的轉矩，使控制方式類似永磁式直流電機馬達驅動原理三相交流永磁式同步馬達的向量控制永磁式同步馬達的同步旋轉座標的數學模式馬達驅動原理三相交流永磁式同步馬達的向量控制向量控制下

6、的方塊圖，由於轉子為永久磁鐵，其磁通已為定值，因此令id為零，馬達的轉矩由iq控制。馬達驅動原理向量控制結果控制與應用AC伺服馬達的要求特性主要動作為：加速、移動、減速、定位高頻度定位控制，定位時間盡量縮短對於連續額定，瞬間動作的最大輸出比率要大相對於馬達本體的轉動慣量值，可輸出的轉矩要大低速與停止時要有很大的保持(Holding)轉矩控制與應用AC伺服系統基本控制架構位置控制器+-SVPWM調變馬達RE位置命令（脈波）位置誤差轉速命令位置檢出位置脈波數伺服驅動器速度控制器電流控制器+-+-力矩命令電流迴授速度迴授速度估測器控

7、制與應用位置控制依據脈波指令，控制馬達的旋轉角度(位置)及旋轉速度(移動速度)。馬達旋轉角度(位置)由輸入的脈波指令數來決定輸入指令Pulse數=位置回授Pulse數=(PGPulse數/rev)X(馬達旋轉量)馬達旋轉速度(移動速度)由輸入的脈波頻率來決定輸入指令Pulse數=位置回授Pulse數==(PGPulse數/rev)X(馬達旋轉速度)馬達停止中利用位置回授將目前的位置以電氣式的煞車(servoclamp)保持控制與應用速度控制依據電壓輸入電壓作無段變速控制與應用力矩控制依據輸入電壓命令控制馬達流過的電流，即控制馬

8、達產生的轉矩。半徑r(m)與力(F)的乘積就是馬達的旋轉力。控制與應用常見的控制方式開回路控制半閉回路控制控制與應用常見的控制方式全閉回路控制控制與應用應用上的配置CNCControllerPLCIndustrialComputerServoDriverServoMotor滾