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產線自動化趨勢升溫 整合伺服系統優勢明顯
運動控制關鍵核心

【作者: 王岫晨】   2020年02月24日 星期一

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運動控制是近年來自動化產業的重點發展技術之一,這種控制技術是以軟體平台的CPU核心來進行指定功能,只要以軟體的方式,透過單一網路線如EtherCAT即控制各種馬達、機器,如此可以節省電纜、AD/DA轉換電路等成本,並降低空間佔用與噪音量。


基本上,運動控制是透過軟體以函式庫與高階語法,來進行運動控制的開發,這種架構適合用在規劃大型系統的應用環境。在大型系統應用上,軟體運動控制可進行較為複雜的動作規劃,這種作法通常在傳統以PLC為主的架構上不易做到。


而運動控制除了彈性之外,另外一個發展重點在於智慧製造的最終目標,使用者可以任意調整產線的產能與製程項目,讓運動控制依需求進行調整。不過工業通訊標準仍處百家爭鳴的情況,要透過系統來達成即時性控制需求的設定會有一定困難,這也是現在軟體運動控制在技術發展上,必須克服的挑戰。


運動控制系統的元件

在一個運動控制系統中,通常都會包含許多不同層面的元件。這包括以下元件:


●應用軟體:應用軟體可設定目標位置與運動控制軌跡(Profile)。


●運動控制器:運動控制器如同系統的大腦,可管理目標位置與運動軌跡、建立馬達所應行進的軌道、針對伺服馬達輸出+/-10V的訊號,或針對步進馬達輸出步進與方向脈波。


●放大器或驅動:放大器(亦稱為驅動)可接收控制器的指令,並產生所需的電流以轉動馬達。


●馬達:馬達將電能轉換為機械能,產生足夠力矩將馬達推送至所需的位置。


●機器要素:馬達可為某些機器提供力矩。其中包含滾珠滑組(Linear slide)、機器手臂,與特殊致動器。


●反饋裝置或位置感測器:位置反饋(Feedback)裝置並非所有運動控制應用所必須(如控制步進馬達),卻為伺服馬達所必要。反饋裝置一般為相位差編碼器(Quadrature encoder),可感測馬達位置並將結果回報予控制器,以關閉運動控制器的迴路。


步進馬達與伺服馬達

伺服驅動器與馬達整合成伺服驅動模組元件是趨勢。目前整合式的伺服系統,已將伺服驅動器與伺服馬達整合為一。

在運動控制的關鍵元件中,馬達是用於將電能轉換為機械能,並產生足夠力矩以推送至所需的位置。馬達種類繁多,形狀和尺寸各有不同。大多數用於運動控制的馬達,都屬於步進馬達與伺服馬達。



圖一 : 伺服馬達具有控制迴路可以檢查馬達當下的狀態,因此比步進馬達更為穩定。
圖一 : 伺服馬達具有控制迴路可以檢查馬達當下的狀態,因此比步進馬達更為穩定。

步進馬達是一種常見的馬達種類。相較於尺寸相近的伺服馬達,步進馬達較便宜,而且更容易使用。步進馬達由於依照離散的節距轉動,因此稱為步進馬達,設計上通常需要一個步進驅動器和控制器才能控制步進馬達。透過為驅動器提供步進和方向訊號,再由驅動器解讀 這些訊號並驅動,即可控制步進馬達。步進馬達可以採用開放迴路配置運作,因此適用於低成本的應用。


通常隨著步進馬達低速運轉時會產生高扭矩,至於高速運轉時扭矩則為低。除非驅動器具有微步進(micro-stepping)功能,否則低速運轉時,步進馬達容易有斷電情況。高速運轉時,步進馬達扭矩較高,因此較為穩定。至於空轉時,由於電流在步進馬達繞組中連續流動,使得步進馬達比尺寸相近的伺服馬達具有更高的轉矩。


伺服馬達

伺服馬達是對用於使用伺服機構的電動機總稱。所謂伺服系統,就是依照指示命令動作所構成的控制裝置,應用於電機的伺服控制,將感測器裝在電機與控制對象機器上,偵測結果會返回伺服放大器與指令值做比較。由此可知,因為伺服電機是以回饋訊號控制,與藉由輸入脈沖訊號控制的步進電機有所區別。



圖二 : 伺服馬達系統對於工業4.0的產線自動化,將是一個重要趨勢。
圖二 : 伺服馬達系統對於工業4.0的產線自動化,將是一個重要趨勢。

伺服馬達不同於步進馬達,主要的差異是伺服馬達會按照定義來使用控制迴路運行,並且需要某種反饋。控制迴路則利用來自馬達的反饋,藉以幫助馬達來實現所需的位置與速度等不同狀態。伺服馬達的控制迴路有很多種類,常見的控制回路是PID控制迴路。


使用PID控制迴路時,就需要調諧伺服馬達,其用意在於使馬達以理想的方式運作。雖然馬達調諧是非常困難且繁瑣的過程,但卻可以讓使用者更容易控制馬達的行為。由於伺服馬達具有控制迴路可以檢查馬達當下的狀態,因此伺服馬達通常比步進馬達更為穩定。伺服馬達的控制迴路會不斷檢查馬達是否在正確的路徑上,如果不是,將會進行必要的調整。相較之下,步進馬達如果因為任何原因導致失常時,將沒有控制迴路來進行補償。


一般而言,除非步進馬達使用了微控制,否則伺服達比起步進馬達將更能夠順暢運作。此外,隨著速度的增加,伺服馬達的扭矩保持不變,因此在高速運作下(通常高於1000RPM)能夠比步進馬達更為順暢。


伺服系統

伺服驅動器與馬達整合成伺服驅動模組元件是趨勢。一般伺服系統與整合伺服系統並不相同,一般伺服系統通常是一個伺服馬達搭配一台伺服驅動器。而整合式的伺服系統,已將伺服驅動器與伺服馬達整合為一。如此一來,控制箱配線將省下七成,對於未來工業4.0的產線自動化可提供更簡便配線的解決方案。


整合式伺服系統的連結,是藉由一條電源線提供環路上所有伺服馬達整合驅動器的系統,同時也透過一條控制通訊線連結。這種系統可省去大量的配線與電控箱的裝置,可以節省許多線材與電控箱費用,更可以延伸應用。對於未來工業4.0的工業產線自動化,這將會是一個重要趨勢。另外,由於整合伺服系統是將驅動器與馬達整合在一個元件,驅動器的發熱也將成為一個重要議題。此時可選用低損耗的功率元件,例如有日本公司已開始採用新一代的GaN元件推出低功耗新產品。


結語


圖三 : 運動控制除了彈性之外,另外一個發展重點在於智慧製造的最終目標。
圖三 : 運動控制除了彈性之外,另外一個發展重點在於智慧製造的最終目標。

伺服馬達的動作特性是進行位置定位控制和動作速度控制,其主要特點是轉速可以精確控制、速度控制範圍廣,除了可以穩定等速運轉之外,還可以根據需求隨時變更速度,即使在極低速度也可以穩定轉動,不只能迅速做出正轉與逆轉,也能迅速加減速。在由靜態改為動態運作,或由動態改為靜態運作所需費時極短,而且即便有外力附加於上仍可以保持位置。並在額定容量範圍內瞬間產生大轉矩,輸出功率大且效率也高。


伺服馬達對於產線工業自動化格外重要,特別是藉由整合式的伺服系統連結,透過一條電源線提供線路上所有伺服馬達整合驅動器的系統,同時也透過一條控制通訊線來進行連結,這將是未來工業4.0的一個重要趨勢。


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