伺服技術發展

交流伺服原理及

調機方法

台達電子

蔡清雄

9/24/2007

內容

1. 技術說明

2. 控制參數說明

3. 調機程序

交流伺服驅

動器

交流伺服

馬達

編碼器

低損驅動

硬體優化

線性工程

調控優化

性能優化

磁路設計

模式建立

導熱優化

量產技術

插補技術

零件設計

機構設計

SVPWM Switch power 技術 (AC to DC to UVW)

32 bits DSP 運用技術與高速串列通訊

永磁馬達的電流回路向量控制及解藕合的線性化技術

與Torque load 因素相關性低的Inertia 估測

PDFF 控制架構;低轉速特性平順補償

定子矽鋼片與繞線圈數與磁鋼強度整體磁路設計及分析來滿足(1)銅

損及鐵損優化，提高馬達效率 (2)低頓矩

馬達模式的建立及模擬

定子填充高傳熱的熱固性介質

(1)定子分割設計以利繞線及組裝 (2)充磁技術(3) 量測設備的建立

正弦插補技術; 整形技術

玻璃片與罩片的軌跡設計; Photo Diode Array (PD)的設計與製作

安裝簡易,校正容易的機構設計

關鍵技術

_{說 明}

 高效率：

1. 溫昇小，馬達壽命長

2.

溫昇小，馬達尺寸可

縮小，減少安裝空間

，降低材料成本。

3. 效率高，長時間運轉

可節省能源消耗。

伺服馬達的

關鍵技術

強大的過負

載能力：可瞬

間提供足夠轉

矩,加快反應

速度。

1. AC伺服馬達必

須可以隨心所

欲的控制轉矩

輸出。

2. 良好的反電勢

波型正弦度。

3. 低的頓轉矩。

)

(

)

,

(

i

f

i

f

T









低的振動與噪

音：

1. 增長馬達結構

壽命

2. 減少對應用機

台的干擾

伺服馬達的重要材料

磁鋼：釹鐵硼 NdFeB，有易氧化

高溫退磁的問題

矽鋼片：越薄越好。

編碼器：最貴(?)的零組件，解析

度持續向上提昇。

馬達主要關鍵技術及重要零組件

技術說明 (2)

SVPWM 切換技術

IGBT Dead time 補償技術

解藕合技術

電流迴路線性化工程

角速率估測器

低速及頓扭矩補償

負載慣量估測

IGBT 驅動技術

伺服驅動器的關鍵技術

伺服驅動器的重要材料

DSP 數位信號處理器。

IGBT 模組。

驅動器主要關鍵技術及重要零組件

技術說明 (3)

交流伺服的基本控制架構

速度控制

.

~450 Hz

位制控制

.

~125 Hz

電流控制

.

1.8 KHz

編碼器脈波回授.

速度估測

電流檢測

15KHz 取樣

15KHz 取樣

15KHz 取樣

技術說明 (4)

什麼是伺服系統

?

機構

J

JL, 共振頻率

U,V,W

Encoder

feedback

signal

B

Js



1

s

J



1

f f

C

s

K

_

t

K

s

K

vi vp

K

Speed estimator

& others

技術說明 (5)

電流控制架構

影響增益調整的要素

1. 機台對馬達的負載慣性比

2. 機台的動作頻度與加工精度的要求

3. 機台的機械傳動剛性

機台對馬達的負載慣性比的影響

負載慣性比大

負載慣性比小

固定增益下, 慣性比愈

大, 速度響應愈差

固定增益下, 慣性比愈小,

速度響應愈佳

設定較大的增益以維持

響應, 容易產生共振

設定較小的增益即可維

持響應, 不易產生共振

電流容易飽和

使性能受限

電流不易飽和

性能不易受限

馬達容易產生過負載

馬達不易產生過負載

容易產生回昇能量錯誤

不易產生回昇能量錯誤

控制參數說明 (2)

Servo

Drive

馬達

速度指令

馬達旋轉速度

速度指令電壓

馬達旋轉速度

Gain＝E

_ｏ

／E

_i

相位延遲＝

Φ

增益比為

（１／

）

＝－３ｄｂ 時的頻率稱為響應

頻率

Delta ASDA 速度

響應頻率

450ＨＺ

2

輸出 輸入 輸入

伺服性能評估 : 速度頻率應答性

控制參數說明 (3)

ASDA基本伺服增益參數

代號

簡稱

功能

初值

單位

適用控制模

式

P

S

T

2-00

KPP

位置控制增益

35

rad/s

O

2-04

KVP

速度控制增益

500

rad/s

O

O

O

2-06

KVI

速度積分補償

100

O

O

控制參數說明 (4)

■位置控制增益（KPP，參數P2-00）

本參數決定位置回路的應答性,

KPP值設定越大對於位置命令的追隨性越佳，

位置誤差量越小，定位整定時間越短，

但是過大的設定會造成機台產生抖動

或定位會有過衝(overshoot)的現象。

π

2

KPP

)

(

Hz



位置回路響應頻率

控制參數說明 (5)

速度控制增益（KVP，參數P2-04）

本參數決定速度控制回路的應答性，

KVP設越大對於速度命令的追隨性越佳，

但是過大的設定容易引發機械共振。

速度回路的頻率必須比位置回路的頻率高 4~6倍，

當位置響應頻率比速度響應頻率高時，

機台會產生抖動或定位會有過衝(overshoot)的現象。

π

2

)

1

(

KVP

)

(







負載慣性比

速度回路響應頻率 Hz

控制參數說明 (6)

■速度積分補償（KVI，參數P2-06）

KVI 越大對固定偏差消除能力越佳，

過大的的設定容易引發機台的抖動，

建議設定值如下：

速度回路的響應頻率

參數

2



06

)



1

.

5



(

P

KVI

控制參數說明 (7)

ASDA 前饋增益與外部干擾抵抗增益參數

代號

簡稱

功能

初值

單位

適用控制模式

P

S

T

2-02

KPF

位置前饋增益

5000

0.0001

O

2-03

PFF

位置前饋增益平滑常數

5

msec

O

2-07

KVF

速度前饋增益

0

0.0001

O

O

2-26

DST

外部干擾抵抗增益

0

0.001

O

O

控制參數說明 (8)

PFG與PFF參數設定

■位置前饋增益 (PFG，參數P2-02)

可降低位置誤差量並縮短定位的整定時間，

但過大的設定容易造成定位過衝的現象；

若電子齒輪比設定大於10亦容易產生噪音。

■位置前饋增益平滑常數(PFF，參數P2-03)

可降低電子齒輪比設定大於10所產生噪音。

控制參數說明 (9)

位置控制增益調整的效果

調大增益

P2-00

加入前饋補償

P2-02

控制參數說明 (10)

■外部干擾抵抗增益 (DST，參數P2-26)

本參數用來增加對外力的抵抗能力

並降低加減速的過衝的現象。

出廠值為0為一般PI 控制器。

若設定為非零則為PDFF 控制架構。

在手動模式不建議手動調整，

除非是要進行PDFF自動增益結果的微調,

或是利用PC 增益調整軟體自動計算該增益值

控制參數說明 (11)

ASDA自動增益調整與等級設定相關參數

代號

簡稱

功能

初值

單位

適用控制模式

P

S

T

2-32▲

AUT2

增益調整方式

₀

_O

_O

_O

2-31

AUT1

自動及簡易模式設定

44

O

O

O

1-37

GDR

對伺服馬達的負載慣量比

(P2-32 設3 or 5 時才有作用)

5.0

times

O

O

O

控制參數說明 (12)

ASDA共振抑制參數

代號

簡稱

功能

初值

單位

適用控制模式

P

S

T

2-23

NCF

共振抑制Notch filter

1000

Hz

O

O

O

2-24

DPH

共振抑制Notch filter衰減率

0

DB

O

O

O

2-25

NLP

共振抑制低通濾波

2 or 5

msec

O

O

O

控制參數說明 (13)

■共振抑制低通濾波器（NLP，參數P2-25）

負載慣性比越大，速度回路的響應頻率會下降，

必須加大KVP以維持速度的響應頻率，

在加大KVP 的過程，可能產生機械共振音，

請嘗試利用本參數將噪音消除。

越大的設定對高頻噪音的改善越明顯，

但是過大的設定會導致速度回路不穩定及過衝的現象

，

其設定建議值如下：

)

(

4

1000

)

25

2

(

Hz

P

NLP

速度回路響應頻率

參數







控制參數說明 (14)

控制架構圖

積分控制 (P2-06) 速度增益 (P2-04) 共振抑制 (P2-25) (P2-23) (P2-24) 位置增益 (P2-00) 外部干擾抵抗增 益 (P2-26) 速度估測器 位置前饋增益與 平滑濾波器 (P2-02/P2-03)

驅動器速度控制模式

驅動器位置控制模式

上層控器控制

上層控器控制

編碼器迴授 電流命令 脈波命令 + + + _ + + _ + _

控制參數說明 (15)

KPP

Position loop

Proportional

Gain

P2-00

LPF

Position Command Filter

P1-08

Position

Pulse Command

KPF

Position

Feedforward

gain P2-02

LPF

P2-03

CURENT CONTROL

SPEED CONTROL

MOTOR

N/M

Electric Gear Ratio

P1-44 & P1-45

du/dt

Derivative

Encoder Position FeedBack

位置控制方塊圖

A/D V-REF KVP Speed loop Proportional Gain P2-04 KVF Speed Feedforward gain P2-07 SP0/SP1 KVI P2-06 LPF JL P1-37 S curve P1-34/P1-35/P1-36 Internal Speed 3 P1-11 Internal Speed 2 P1-10 Internal Speed 1 P1-09 LPF P1-06 s 1 Integrator P1-40/10 Speed Estimation

CURENT CONTROL MOTOR du/dt Derivative Position feedback Speed feedback P2-26

速度控制方塊圖

控制參數說明 (17)

調機原則(一)

位置響應 10 Hz <= 速度響應10Hz

位置響應10 Hz <= 速度響應50Hz

位置響應10 Hz <= 速度響應100Hz

系統震盪

合理設定

過高的速度響應

可能會引發不必要

的機械共振

•速度回路必需比位置回路響應快 4~6 倍

π

2

KPP

)

(

Hz



位置回路響應頻率

π

2

)

1

(

KVP

)

(







負載慣性比

速度回路響應頻率 Hz

調機程序 (1)

調機原則(二)

正確的慣性比估測會影響增益設定的正確性 , 所以得到負載

慣性比為增益調整的第一步驟, 並由負載慣性比可事先知道

馬達的選用是否合理及決定伺服響應設定的等級

愈大的慣性比要得到同樣的速度響應需要設定越高的增益,

但越高的增益容易引發機械共振, 應此需要高響應表現的機

台負載慣性比應較小

450 Hz

接近空載

300 Hz

JL < 1

200 Hz

JL < 3

100 Hz

JL < 6

註 : 本參考表格為個人在400 W motor 運用上的經驗, 並非性能規格

調機程序 (2)

調機原則(三)

動作頻度越高的機台需要愈好的伺服響應配合

精度要求越高的機台需要愈好的伺服響應配合

愈好的伺服響應需要設定較高位置

或速度回路的響應頻率, 在多軸的補間的運用,

每一軸應設定相同的響應頻率, 減少輪廓誤差

調機程序 (3)

調機原則(四)

•最佳的伺服響應設定是

在機台的

性能

與

機械共振

間得到一平衡點

當性能與共振有衝突時才使用notch filter 處理共振問題

•

高響應的伺服需要高剛性的機構配合

因此, 使用者必須自行選擇出最適合機台的響應頻率

調機程序 (4)

PDFF與PI 速度響應等級比較表

Ｐ2-31 Y 值

PI 自動增益速度響應

PDFF 自動增益速度響應

0

20Hz

20Hz

1

30Hz

30Hz

2

40Hz

40Hz

3

60Hz

50Hz

4

85Hz (出廠等級)

60Hz (出廠等級)

5

120Hz

70Hz

6

160Hz

80Hz

7

200Hz

100Hz

8

250Hz

120Hz

9

300Hz

140Hz

A

300Hz

160Hz

B

300Hz

180Hz

C

300Hz

200Hz

D

300Hz

220Hz

E

300Hz

260Hz

F

300Hz

300Hz

PDFF

典型的調機步驟

利用上層命令

或參數P4-05或

PC軟體進行慣性比估測

設定響應等級

觀察性能表現

排除機械共振

完成

負載慣量估測的限制

1. 到達 2000 RPM 之加減速時間需在 1秒以下。

2. 回轉速需在 200 RPM 以上。

3. 負載慣量需為馬達慣量的 100 倍以下。

4. 外力或慣性比變化不得太劇烈。

5. 自動增益模式（固定慣量P2-32為3 或 5），負載慣量停止估測。

6. 負載慣性比估測值，斷電不儲存，每次重上電，參數 P1-37為負載慣

性比估測的初始值。

但以下兩種狀況，負載慣性比估測值會自動存入參數P1-37：

(1)

當由自動模式2切換至自動模式3。

(2)

當由自動模式4切換至自動模式5。

調機的軟體工具

高速即時波形監看軟體

PC 增益調整軟體說明(1/2)

2) 請務必依據使用的機種設定， 可由驅動器右側標籤分辨機種。 3) 輸入機台對馬達的負 載慣性比，此數值如何 得知，請參考下一頁說 明。 1) 選擇連接線的通訊埠位置, 並參考驅動器的通訊協定設定 Buad /Station /Protocol

4) B.W. 為速度控制回路 的響應頻寬，數值範圍 應位於(10Hz~450Hz), 數 值越高代表響應越佳, 但 須配合機台特性調整， 過高的設定，會引發機 械共振。 5) 完成B.W. 和 JL/Jm 設定後 ，按下Compute，程式自動算 出最佳的伺服參數： P2-00/P2-02/P2-04/P2-06 P2-25/P2-26。 6) 按下Download，將參數存 至驅動器。 7) 按下Upload，將參數從驅動 器讀回，作比較或參考。

1) 點選Enable Control Panel 啟動自動慣性比估測 功能，當完成自動慣性比 估測功能時, 務必取消此選 項，使參數回復至使用者 設定值。 2) 點選 ServoON, 此時下方顯示Servo ON，若無顯示 Servo ON請檢視是 否有 ALARM 發生。 3) 利用 JOG 移動機 台至第一定位點, 點 選Pt. 1 按鈕設定座 標，再利用 JOG 移 動機台至第二定位 點, 點選Pt. 2 按鈕 設定座標 4) 點選Start 使機台在兩點反 覆移動，並觀測 Est. JL/Jm 的變化，若要停 止機台運動，按此扭 Stop 此估測數值為機台的慣性比 ，此數值會逐步穩定至某一 數值，及代表估測完成。 設定較高的移動速度(Speed) 和較小的加減速時間(ACC DEC) 會縮短估測時間。 若 移動速度過低(Speed < 150) 或加減速時間過長(ACC DEC > 800ms)將無法準確估 出機台的慣性比

PC 增益調整軟體說明(2/2)

無電腦的PDFF 自動增益調機步驟

Servo Off, P2-32 設為 4 Servo On 提高P2-31 的Y值來增加應答性 依據P2-31 的Y值 調整P2-25 由上層下達有加減速的反覆動作 P0-02設為 14, LED 面板顯示負載慣性比 有共振音 性能滿足 降低P2-31 的Y值來減少噪音 若不想降低P2-31, 請嘗試使用 Notch fliter (P2-23/P2-24) 降低機械共振 面板顯示的慣量固定 Servo Off , P2-32 設為 5 完成 yes no no no yes no yes

增益調整總結

• 選擇適當增益調整方式

• 估測出正確的負載慣性比

• 配合運用的需求調整伺服響應, 必要時

使用notch filter

市場定位

 目標市場：

需要高端應用 (高響應及高解

析度)及高速通訊連接多軸

(Can-Open)的應用市場為主

，並希望A2 可以吞蝕掉三菱

與安川的 Market Share.

 目標客戶：

1.

亞洲客戶：願意多付一些錢

來滿足其高端應用需求者。

2.

歐美客戶：有Can-Open 與

Cost Down 需求，但不願意

承受太多品質的風險與疑慮

者。

3.

台達舊有客戶：A系列的客

戶但有產品再升級的需求。

目標市場與目標客戶

Performance

Price

低

低

高

富士

台達B

高

_西門

子

東元

三洋

三菱

J3S

安川



3

台達 A2

華中數控

廣州數控

大陸其他

松下

台達A