三菱泛用AC伺服系统基本及应用

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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何 謂謂 伺伺 服服SERVO語源自拉丁語語源自拉丁語，原意為，原意為奴隸奴隸的意思，的意思， 取原意稱取原意稱“依指令確實執行動作之驅動裝置；依指令確實執行動作之驅動裝置； 能夠能夠高精度的靈敏動作表現，自我動作狀態高精度的靈敏動作表現，自我動作狀態 常時確認常時確認”。日本工業規格日本工業規格JIS定義：定義：伺服機構是將物体的伺服機構是將物体的 位置、方位、姿勢等的控制量位置、方位、姿勢等的控制量，將目標的任意將目標的任意 變化追隨、構成控制系統變化追隨、構成控制系統伺伺 服服 機機 構構 系系 統統伺服機構系統，大致上可

2、分為下例幾項：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。伺伺 服服 馬馬 達達 的的 種種 類類伺服馬達的種類，大致可區分成：伺服馬達的種類，大致可區分成：1.同步形同步形：採用永磁式同步馬達，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：線圈迴轉子：永久磁鐵；固定子：線圈2.感應形感應形：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

3、子皆為線圈迴轉子、固定子皆為線圈3.直流形直流形：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：磁刷迴轉子：線圈；固定子：永久磁鐵；整流子：磁刷SM 同同 步步 形形 伺伺 服服 馬馬 達達特長優點：特長優點：1.免維護。免維護。2.耐環境性佳。耐環境性佳。3.轉矩特性佳，大轉矩。轉矩特性佳，大轉矩。4.停電時可發電剎車。停電時可發電剎車。5.尺寸小、重量輕。尺寸小、重量輕。6.高效率。高效率。缺點：缺點：1.AMP較較DC形構造複雜。形構造複雜。2.MOTOR及及AMP必需必需1：1 搭配使用。搭配使用。

4、3.永久磁石有消磁的可能永久磁石有消磁的可能。IM 感感 應應 形形 伺伺 服服 馬馬 達達特長優點：特長優點：1.維護容易。維護容易。2.耐環境性佳。耐環境性佳。3.高速時，轉矩特性佳。高速時，轉矩特性佳。4.可製做大容量，效率佳。可製做大容量，效率佳。5.構造堅固。構造堅固。缺點：缺點：1.小容量機種，效率差。小容量機種，效率差。2.AMP較較DC形構造複雜。形構造複雜。3.停電時，無法動態剎車。停電時，無法動態剎車。4.隋溫度變動影響特性。隋溫度變動影響特性。5.AMP與與MOTOR必需必需1：1 使用。使用。DC 直直 流流 形形 伺伺 服服 馬馬 達達特長優點：特長優點：1.伺服驅動

5、器構造簡單。伺服驅動器構造簡單。2.停電時可發電剎車。停電時可發電剎車。3.體積小、價格低。體積小、價格低。4.效率佳。效率佳。缺點：缺點：1.整流子週邊需定期保養。整流子週邊需定期保養。2.碳刷磨耗產生碳刷磨耗產生(碳粉碳粉)，無法，無法 應用於要求凊絜的場所。應用於要求凊絜的場所。3.因整流器碳刷的問題，高速因整流器碳刷的問題，高速 時轉矩差。時轉矩差。4.永久磁石有消磁的可能。永久磁石有消磁的可能。ENCODER 的的 種種 類類ENCODER的種類的種類：1.相對值形編碼器相對值形編碼器2.絕對值形編碼器絕對值形編碼器項項 目目相對值相對值形形編碼編碼器器絕對值絕對值形形編碼編碼器器輸

6、出內容輸出內容相對值輸出。相對值輸出。回轉角度變化相對值脈波輸回轉角度變化相對值脈波輸出。出。絕對值輸出。絕對值輸出。回輕角度的絕對值輸出。回輕角度的絕對值輸出。停止時的停止時的對應對應停電中孌動位置時，需於復停電中孌動位置時，需於復電後重新做原點復歸。電後重新做原點復歸。停電再復電後不需再做原點停電再復電後不需再做原點復歸。復歸。構造構造價格價格構造簡單、且便宜。構造簡單、且便宜。構造複雜、且昂貴。構造複雜、且昂貴。相相 對對 值值 編編 碼碼 器器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

7、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。絕絕 對對 值值 編編 碼碼 器器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及及ABS指令方式指令方式位置決定時的位置指命方式：位置決定時的位置指命方式：1.INC：必需對位置值加以計算，Roll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。伺伺 服服 的的 原原 理理 構構 成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

8、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 。伺伺 服服 控控 制制 回回 路路 的的 組組 成成SERVO內部信號流程圖內部信號流程圖：依依回饋方式可分為三種：回饋方式可分為三種：1.位置回路位置回路：編碼器脈波信號 位置控制單元2.速度回路速度回路：編碼器脈波信號 速度控制單元3.電流回路電流回路：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

9、流各控制回路的響應速度依序為：電流 速度速度 位置位置定位方式比較控制模式種類位位 置置 控控 制制 模模 式式位置控制的區分：位置控制的區分：1.半閉迴路控制半閉迴路控制馬達軸端馬達軸端 檢出檢出2.半閉迴路控制半閉迴路控制螺旋導桿螺旋導桿 軸端檢出軸端檢出3.全閉迴路控制機械位置檢全閉迴路控制機械位置檢 出出使用使用AC伺服馬達於位置控制，一般是指由與伺服馬達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軸心一體化的位置檢出器(編碼器、角度檢測器等編碼器、角度檢測器等)取得取得 回授訊號，當與位置指令量一致時，使馬達軸停止之回授訊號，當與位置指令量一致時，使馬達軸停止之

10、控制，並執行伺服鎖定之機能（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)適用於位置控制適用於位置控制AC伺服馬達用於位置控制，以用途分別可區分為伺服馬達用於位置控制，以用途分別可區分為2大項大項1.點至點的控制點至點的控制(POINT TO POINT)：BAa.點至點控制不重視走行路2.輪廓控制輪廓控制(補間控制補間控制)：BAa.直補間BAb.圓弧補間以A-B間為直徑的圓弧步進步進馬達與馬達與AC伺服差異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伺服馬達來得少伺服馬達來得少(依機

11、械特性而言依機械特性而言)。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。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。點的定位控制。優點優點價格便宜價格便宜簡單、使用容易簡單、使用容易缺點缺點不穩定、易受干擾不穩定、易受干擾高速時轉矩小高速時轉矩小低分解能低分解能容量小容量小(200W以下以下)位位 置置 定定 位位 控控 制制 基基 礎礎伺服系統的位置精度：伺服系統的位置精度：伺服馬達伺服馬達1回轉的機械移動量。回

12、轉的機械移動量。伺服馬達伺服馬達1回轉的回轉的Encoder脈波脈波數。數。機械系統的間隙問題，機械精度。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：伺服系統、位置決定控制的基礎：單位：單位：Pulse；mm；inch；degree例）指令脈波頻率？例）指令脈波頻率？定位模組定位模組 馬達馬達1回轉所需脈波數回轉所需脈波數Pulse 馬連馬連1回轉移動量回轉移動量mm AMP電子齒輪比電子齒輪比 電子齒輪比分子電子齒輪比分子 電子齒輪比分母電子齒輪比分母速速 度度 控控 制制 模模 式式AC伺服馬達與其它一般的可變速裝置：伺服馬達與其它一般的可變速裝置：(變頻器、直流馬達、渦電

13、流繼手形可變頻器、直流馬達、渦電流繼手形可變速馬達等變速馬達等)一樣，運轉速度可變換。其特長：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 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)轉轉 矩矩 控控 制制 模模 式式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

14、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:10W30WA-type：泛用標準界面(MR-J2-A、MR-J2S-A 、MR-H

15、AN)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1990199520002005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IPMDSP RISC微處理具有機械系控制邏輯網路技術5%10%17%

16、23%30%35%ASA、SBJCHJ2-SuperJ2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

17、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、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)10305010040010003.5K22K55K100KMR-J2-JrDC24V1030WMR-H5022KWMR-J2503.5KW3055KWMR-H400V大容量MR-J2 SUPERMR-C30400W7KW30KW50W形名構成伺服驅動器M R - J 2 SM R - J 2 S - - 1 01 0 A A 1 1無:三相AC200V、單相A

18、C230V，1:單相AC100V (預定販賣)A:標準脈波列、類比I/F，B:SSCNET10、20、40、60、70、100、200、350、(500、700)伺服驅動器系列名伺服馬達H CH C - - K F SK F S 0 50 5 3 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

19、驅動器(MR-J2-SUPER系列)HC-系列旋轉速度 r/min額定/最高容量(W)3050 10050075085010002000300035007000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UFS3000/45003000/45001000/15002000/30003000/30003000/45002000/30003000/4500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01002003004

20、00500600700Hz年199019921994199619982000JJ高應答J2J2高應答J2-Super波特圖波特圖-3db所對應之頻率增益(db)頻率(Hz)J2-SUPER-3db5502002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-SuperJ20.9msec5msec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-SuperJ2IIMINAS-A容量全

21、容量-750W1KW-750W750W以上-750W750W以上編碼器(bit)INC/ABSINC/ABSINC/ABSINCABSINCABSINCABSINCINC/ABS1213141516171819201KW以上1000010000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:實際之負荷慣性瞬時比3020100慣性倍率時間sec051015既有自動調諧啟動HC-MFS13 :推定值:實際之負荷慣性

22、瞬時比3020100慣性倍率時間sec051015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

23、尋最合適之增益12346789增益B增益A51011121315161718增益B增益A14最合適之設定結果1234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

24、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

25、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START2軸以上補間補間模式自動調諧模式1YesNoOK?自動調諧模式2OK?No手動模式1OK?NoNo手動模式2ENDYesYesYesOK?NoYes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 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

26、 同，但整體機構均相似。轉矩轉矩控制縱割機控制縱割機縱縱割割機，加工部份的最後處理工程，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。卷取部分為切開長條之加工物品。 張力控制負載的重量，裁斷器負責張力控制負載的重量，裁斷器負責 裁切物體。裁切物體。疊合疊合機，重覆疊合膠卷加工處理。機，重覆疊合膠卷加工處理。 張力控制物品疊合、捲取轉矩調整張力控制物品疊合、捲取轉矩調整 控制。控制。 膠模印刷機，亦可使用此種機構。膠模印刷機，亦可使用此種機構。填充機生產設備填充機生產設備充填機充填機設備，大量的瓶子做高速填充設備，大量的瓶子做高速填充 動作處理。動作處理。 依瓶子形狀，當液體填充時

27、所產生的依瓶子形狀，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泡沬位置及填充速度等做速度定位控 制。制。利用伺服系統，做食品衛生塑膠膜包利用伺服系統，做食品衛生塑膠膜包 裝技術。裝技術。 膠材的袋狀加工處理，各種食品大小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。尺寸對應，包裝後並予以切割處理。半半 導導 體體 業業 界界利用自利用自轉轉特性，當化學液體滴下時，利用特性，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。應用於半導体在圓盤表面。應用於半導体CD-R生產設備。生產設備。半導体半導体製程中

28、，洗淨設備機械。圓盤經過製程中，洗淨設備機械。圓盤經過 化學藥劑洗淨溶解污物，需注意各槽間的化學藥劑洗淨溶解污物，需注意各槽間的 銜接處理過程。銜接處理過程。 一一片圓盤上面，有許多的片圓盤上面，有許多的IC晶片組立裝置晶片組立裝置 檢測並定位組立完成，此動作於高速中進檢測並定位組立完成，此動作於高速中進 行。行。半半導體業界導體業界電子基板的電子部品電子基板的電子部品IC、電阻、電容等電阻、電容等 定位安裝技術，於高速中進行。定位安裝技術，於高速中進行。電子基板的電子零件電子基板的電子零件IC、電阻、電容等電阻、電容等 自動定位儉測系統。自動定位儉測系統。射出射出成型機械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。系統代替，重點為轉矩控制之飽壓動作。