伺服技术资料：伺服选型流程

伺服技术资料：伺服选型流程

課程大綱 伺服選用 伺服使用 故障排除 伺服選用流程 伺服選定 注意事項 伺服選定 計算 伺服接線 參數調整 異常處理 回生計算 ※ 選用何種馬達 1 、性能要求：定位、定速、定扭力 2 、速度要求：高速 、 低速 3 、 定位要求 4 、尺寸 5 、價格 馬達選用的規格 1 、馬達容量 （ W ） 2 、 馬達額定轉速（ rpm ） 3 、 額定扭矩及最大扭矩（ N • m ） 4 、 轉子慣量（ kg • ㎡ ） 5 、 是否需要煞車（制動器） 6 、體積、重量、尺寸 ※ 如何選定伺服馬達（ 1∕3 ） 馬達選用考慮因素 1 、負載機構 2 、 動作模式 3 、負載速度 4 、定位精度 5 、使用環境 ※ 如何選定伺服馬達（ 2∕3 ） 減速機構的影響 1 、回轉速度： N M = Nt ×R 2 、 扭力 ： T L = T ℓ × （ 1÷R ） 3 、 慣量 （ GD ² ） ： GD ² L = GD ² L × （ 1÷R ） ² 1 、負載扭力 ◎加速扭力≦馬達最大扭力 ◎連續實效負載扭力≦馬達額定扭力 ◎消耗回生電力＜驅動器內回生容量 ◎負載扭力＜馬達額定扭力 2 、負載慣性矩＜ 3 ～ 5 倍馬達轉子慣性矩 3 、最大移動速度＜馬達最大轉速 4 、負載率在 85﹪ 以下 5 、馬達的扭矩特性 ※ 如何選定伺服馬達（ 3∕3 ） AC 伺服馬達的選用流程（ 1∕2 ） 伺服機構的確認 （含減速比） 製作運轉曲線（速度曲線） 計算回轉速度 計算負載慣量（ GD L ² ） 計算負載扭力（ T L ） 選擇伺服馬達 負載慣量 （ GD L ² ） 是否低於馬達轉子慣量 的 3 ～ 5 倍 1 、增加減速機構 2 、 降低瞬間負載慣量 （ GD L ² ） 3 、 更改為容量更大的 馬達 4 、 變更運轉曲線（速度 曲線） YES NO 計算加減速扭力（ Ta‧Td ） 加速扭力（ Ta ） 與 負載扭力（ T L ） 合計在瞬間最大扭 力（ Tmax ） 以下 YES NO AC 伺服馬達的選用流程（ 2∕2 ） 計算實效負載扭力（ Trms ） 實效負載扭力（ Trms ） 在額定扭力（ T M ） 以下 YES NO 決定使用馬達 ※ 機械傳動方式 1 、滾珠螺桿傳動 2 、齒條及小齒輪傳動 應用場合：短距離移動，高精度 齒條 小齒輪 應用場合：較長距離移動 ※ 機械傳動方式 3 、時規皮帶傳動 時規齒輪 時規皮帶 齒 應用場合：大型搬運及精密機械 4 、鏈條傳動 應用場合：長距離及高速位移 ※ 機械傳動方式 5 、滾輪送料傳動 送料滾輪直徑 送料滾輪 應用場合：衝床機械定尺寸送料及切割機 6 、台車傳動 ※ 運動方向 2 、水平運動 1 、旋轉運動 3 、垂直運動 通常應用於分度盤 通常應用於滾珠螺、齒輪、皮帶、鏈條傳動元件 通常應用於機械升降軸、機械手臂上下軸 ※ 伺服馬達容量計算步驟及公式 Vℓ 速度線 T P T L Ts t a t c t d t m t cy 扭力線 1 、繪製速度曲線圖 ※ 伺服馬達容量計算步驟及公式 2 、計算回轉速度 A 、 負載端回轉速度（ Nℓ ） Nℓ= 依據機械構成而變化 B 、 馬達端回轉速度（ N M ） N M = Nℓ×R 3 、 計算負載扭力 （ T L ） T L ＝ 依據機械構成而變化 4 、計算負載慣量 （ J L ） J L ＝ 依據機械構成而變化 ※ 伺服馬達容量計算步驟及公式 5 、計算負載運行能量（ P o ） P o ＝ 60 2π ×N M ×T L 6 、計算負載啟動能量（ P a ） P a ＝（ × N M ） ² × 60 2π t a J L 7 、選定伺服馬達條件 ◎ 負載扭力 （ T L ） ＜ 馬達額定扭力 ◎ P a ＋ P o ＝ 1.5 ～ 2 倍馬達額定輸出功率 ◎ N M ≦ 馬達最大轉速 ◎ 負載慣量（ J L ）＜ 3 ～ 5 倍馬達轉子慣量 ※ 伺服馬達容量計算步驟及公式 8 、檢查所選定的伺服馬達 A 、 啟動扭力檢查（ T P ） T P ＝ ＋ T L 啟動扭力（ T P ）＜ 瞬間最大扭力 B 、 停止扭力檢查（ T S ） T s ＝ － T L 停止扭力（ T S ）＜ 瞬間最大扭力 60 × t a 2π ×N M ×（J M ＋ J L ） 60 ×t d 2π ×N M ×（J M ＋ J L ） ※ 伺服馬達容量計算步驟及公式 C 、 實效扭力檢查（ T rms ） T rms ＝ 實效扭力（ T rms ）＜ 額定扭力 t cy T P ² × t a ＋ T L ² × t c ＋ T s ² ×t d √ ※ 伺服馬達容量計算相關公式 1 、移動量 ℓ （ m ） ℓ= × V ℓ 60 t a ＋ 2t c ＋ t d 2 ＊當 t a ＝ t d ℓ= × （ t m － t a ） V ℓ 60 2 、馬達軸回轉速度 N M （ r/min ） N M = N ℓ×R 60 ×（T PM －T L ） 2π ×N M ×（J M ＋ J L ） 3 、最小啟動時間 t am （ s ） t am = 60 ×（T PM ＋T L ） 2π ×N M ×（J M ＋ J L ） 4 、最小制動時間 t dm （ s ） t dm = ※ 負載扭力及負載慣量計算公式 1 、回轉體 A 、 負載扭力 T L （ N • m ） T L ＝ R ×η Tℓ B 、 負載慣量 J L （ ㎏ • ㎡ ） 實心圓柱 空心圓柱 L（m） D（m） L（m） D 0 （m） D 1 （m） （以 馬達軸換算回轉運動部份的慣量 ） 減速機入力側的回轉運動部份 ＝ ×ρ ×L ×D ⁴ （ 實心圓柱 ） 32 π J K ＝ ×ρ ×L × （ D 0 ⁴ － D 1 ⁴ ） （ 空心圓柱 ） 32 π 減速機出力側的回轉運動部份 J L1 ＝ R ² J K ＊J L ＝ J K ＋ J L1 1/R N ℓ J K ＝ ×M K ×D ² 8 1 ※ 負載扭力及負載慣量計算公式 2 、螺桿（水平） A 、 負載扭力 T L （ N • m ） T L ＝ 2π ×R ×η 9.8 × μ × M × P B B 、 負載慣量 J L （ ㎏ • ㎡ ） ＊J L ＝ J K ＋ J L1 ＋ J L2 V ℓ M μ 1/R P B 直線運動部份 J L2 ＝ M × （ ） ² 2πR P B C 、 負載軸回轉速度 N ℓ （ r/min ） N ℓ＝ P B V ℓ ※ 負載扭力及負載慣量計算公式 2 、螺桿（垂直） A 、 負載扭力 T L （ N • m ） T L ＝ 2π ×R ×η 9.8 × （M－M C ） × P B B 、 負載慣量 J L （ ㎏ • ㎡ ） ＊J L ＝ J K ＋ J L1 ＋ J L2 V ℓ M 1/R P B 直線運動部份 J L2 ＝（ M ＋ M C ） × （ ） ² 2πR P B C 、 負載軸回轉速度 N ℓ （ r/min ） N ℓ＝ P B V ℓ M C ※ 伺服馬達容量選擇範例 Ex1: 負 載 速 度： V ℓ =10 m/min 伺服馬達 聯軸器 直線運動機構 滾珠螺桿 直線運動機構質量： M =200 ㎏ 滾 珠 螺 桿 長 度： L B =1.4 m 滾 珠 螺 桿 直 徑： D B =0.04 m 滾 珠 螺 桿 導 程： P B =0.01 m 聯 軸 器 質 量： M c = 1 ㎏ 聯 軸 器 外 徑： D c =0.06 m 動 作 次 數： n = 40 次 /min 動 作 距 離： ℓ = 0.15 m 動 作 時 間： t m = 1.0 s 以下 摩 擦 係 數： μ = 0.2 機 械 效 率： η = 0.85 （ 85﹪ ） 1 、速度圖 Vℓ 10 速 度 （ m/min ） t a t d t c 1.0 t cy 時間（ s ） t = = = 1.5 （ s ） n 60 □ 60 t a = t d t a = t m － = □ － ＝□（ s ） Vℓ 60 × ℓ □ 60 ×□ t c =□ － t a ×2 = □ （ s ） ※ 伺服馬達容量選擇範例 2 、回轉速度 ＊ 負載端回轉速度 N ℓ ＝ ＝ ＝□ （ r/min ） P B V ℓ □ □ ＊ 負載端回轉速度 N M ＝ N ℓ ×R （ 直結 ） =□ × □=□ （ r/min ） 3 、負載扭力 T L ＝ ＝ ＝□ （ N •m ） 2π ×R ×η 9.8 × μ × M × P B 2π ×□ ×□ □ ×□×□×□ 4 、負載慣量 ＊ 馬達軸換算負載慣量 J L ＝ J B ＋ J C ＋ J L1 ＝ □ （㎏ • ㎡ ） 直線運動部份 J L1 ＝ M × （ ） ² ＝ □ × （ ） ² = □ （㎏ • ㎡ ） 2πR P B 螺桿部份 J B ＝ × ρ × L × D ⁴ ＝ ×7.87×10 ¯ ³ × □ × （ □ ） ⁴ 32 π 32 π ＝ □ （ ㎏ • ㎡ ） 2π× □ □ 聯軸器部份 J C ＝ × M C × D ² = × 1 × （ □ ） ² ＝ □ （㎏ • ㎡） 8 1 8 1 ※ 伺服馬達容量選擇範例 5 、負載運行能量（ P o ） P o ＝ ＝ ＝ □ （ W ） 60 2π × N M × T L 60 2π × □ × □ 6 、負載啟動能量（ P a ） P a ＝（ × N M ） ² × ＝（ × □ ） ² × ＝ □ （ W ） 60 2π t a J L 60 2π □ □ 7 、選定伺服馬達條件 ◎ 負載扭力 （ T L ） ＜ 馬達額定扭力 ◎ P a ＋ P o ＝ 1 ～ 2 倍馬達額定輸出功率 ◎ N M ≦ 馬達最大轉速 ◎ 負載慣量（ J L ）＜ 3 ～ 5 倍馬達轉子慣量 依條件選定： □ ※ 伺服馬達容量選擇範例 選定 馬達規格（ □ ） ◎ 馬達額定輸出功率＝ □ （ W ） ◎ 馬達額定轉速＝ □ （ rpm ） ◎ 馬達額定扭力＝ □ （ N •m ） ◎ 瞬間最大扭力＝ □ （ N •m ） ◎ 馬達轉子慣量＝ □ （㎏ • ㎡ ） 8 、檢查所選定的伺服馬達 A 、 啟動扭力檢查（ T P ） T P ＝ ＋ T L ＝ ＋ □ ≒ □ （ N •m ） B 、 停止扭力檢查（ T S ） T s ＝ － T L ≒ □ （ N •m ） 60 × t a 2π ×N M ×（J M ＋ J L ） 60 ×t d 2π ×N M ×（J M ＋ J L ） 60 × □ 2π × □ × （ □ ＋ □ ） × □ ※ 伺服馬達容量選擇範例 C 、 實效扭力檢查（ T rms ） T rms ＝ ＝ ≒ □ （ N •m ） t cy T P ² × t a ＋ T L ² × t c ＋ T s ² ×t d √ □ （ □ ） ² × □ ＋ □ ² × □ ＋（ □ ） ² × □ √ ※ 外部回生電阻的選定 是由 負載率 ， 負載 inertia ， 動作波形 的三個對象 來算出回生電阻之概略值。 1 、依馬達実効負荷率來推定回生容量。 P ＝（ π ×T C ×N M ×P f ² × η ） ÷ （ 2 ×60 ×β ） β ＝ T P ÷T C ∵T a = T p ＝ β×T c 2 、依負載慣量來推定回生容量 T a ＝（ （ 2π ×N M × （ J M ＋ J L ） ） ÷ （ 60×T a ））＋ T L T d ＝（ （ 2π ×N M × （ J M ＋ J L ） ） ÷ （ 60×T a ））－ T L P f ＝ T rms ÷T C E R ＝（ 1÷2 ） × （ J M ＋ J L ） × （ 2π ×N M ÷60 ） ² E C ＝（ 1÷2 ） ×C× （ V S ² －（√ 2 ×V C ） ² ） E ＝ E R ×η － E C P ＝ E÷t cy 3 、依動作波形來推定回生容量 P f ＝ T rms ÷T C E b ＝（ 1÷2 ） × 2π ×N M ×T L ÷60×T d E C ＝（ 1÷2 ） ×C× （ V S ² －（√ 2 ×V C ） ² ） E ＝ E R ×η － E C P ＝ E÷t cy ※ 外部回生電阻的選定 4 、求出回生阻抗值 R MIN =V S ÷ I N M ’ ＝ √（ N M ² －（ 60÷ 2π ） ² ×2×E C ÷ （ J×η ）） P MAX ＝ 2π ×N M ’ ×T d ÷60×η R MAX ＝ V S ² ÷P MAX V S ＝□ V －－－＞ HO V S ＝□ V －－－＞ EO I P ＝□ A －－－＞ HO I P ＝□ A －－－＞ EO ※ 安裝方式外部配線 電源與馬達連接圖 ※ 位置命令接線方式 PLC 24V P GND DG 48 PP 14 PN 15 A. PLC +24V 45 P GND DG 48 PP 14 PN 15 B. （外部電源） HO HO Controller GND DG 48 DG 48 HO1 HO2 所有的控制線以並連方式接到兩台驅動器上， 且 DG 一定要串接。 Controller IN PA PA Line Driver 轉 TTL 準位 （此方式較好） HO A. Controller IN PA PA HO B. DG GND 2K ※ 安裝方式外部配線 安裝方向以及間隔 ※CN1 及 CN2 端子說明 ※ 參數說明及調整 NO 名 稱 0 控制模式 1 類比輸出顯示 2 正轉／反轉 切換方式 3 編碼器信號 ( 輸出分頻 ) 4 速度到達判定 5 動態剎車 6 驅動禁止時動作 7 CCW 內部扭矩限制值 NO 名 稱 8 CW 內部扭矩限制值 9 回生電阻保護 level 10 JOG 運轉 11 零速度輸出／ brake 輸出切換 12 扭矩指令 filter 時常數 13 外部扭矩指令 scaling 14 外部扭矩指令 輸入 offset NO 名 稱 15 Brake sequence 時間 16 驅動器識別碼   17 零速度檢出時動作 18 加減速限制 19 速度 smoothing filter 時間常數 20   直線加減速時常數 ※ 參數說明及調整 NO 名稱 28 29 30 31 電子齒輪比 32 33 定位完了範圍 34 35 36 37 CCW 最大積存 脈衝數 CW 最大積存 脈衝數 38 位置比例增益 40 NO 名稱 39 前饋增益 位置 smoothing 時間常數 41 42 43 內部速度限制 1 內部速度限制 2 內部速度限制 3 44 45 46 內部速度指令 1 內部速度指令 2 內部速度指令 3 NO 名 稱 21 電子溫度偵測 LEVEL 22 速度比例增益 23 速度積分時間常數 24 零速度判定 25 外部速度指令 輸入比例值 26 外部速度指令 輸入 offset 27 位置指令輸入脈衝型式 ※ 故障排除 Alarm code 輸出 alarm 名稱 alarm 動作內容 0 正常   1 主迴路電壓不足 電源電壓在低於規格電壓以下時動作 2 回生異常 回生電阻的負載過大或回生迴路異常時動作 3 過負載 馬達及驅動器的過負載狀態時動作 4 IPM 異常 主迴路用功率轉換模組檢出異常 5 編碼器異常 (ABZ) 檢出編碼器及編碼器電纜線異常而動作 6 溫度異常 (Over heat) 檢出系統溫度高於規格值 7 保留   8 記憶體異常 檢出 CPU 內部的記憶體異常而動作 ※ 故障排除 Alarm code 輸出 alarm 名稱 alarm 動作內容 9 緊急停止 緊急停止信號被輸入時動作 10 保留   11 位置偏差過大 位置偏差脈波計數器在超過設定容許值以上時動作 12 過速度 馬達轉速超過容許轉數時動作 13 CPU 異常 檢出 CPU 異常而動作 14 驅動禁止異常 CCW/CW 的兩者之驅動禁止信號同時輸入時動作 15 廠商用   ※ 故障排除 雜訊對策： ＊ 將動力線（電源線、馬達線等的強電迴路） 與信號線相距 30 公分以上來配線，不要在同 一配線管（ duct ） 配線。 ＊ 信號線編碼器輸入線請使用雙絞對線 ( 含隔離 ) ，配線的長度，指令輸入線為 3 公尺，編碼器 輸入線 20 尺以內為宜。 ＊ 接地請以使用第 3 種接地（接地電阻值為 100Ω 以下）為宜，而且必須單點接地 ＊輸入電源外接雜訊濾波器 驅動器 R S FG AC 輸入 濾波器 ※ 故障排除 ＊ 在信號線上連接電容（但會降低響應頻率） PLC 24V P GND DG 48 PP 14 PN 15 （外部電源） HO 2K 104 or 103 PLC 24V P GND DG 48 PP 14 PN 15 （外部電源） HO 2K EG 44 ＊ 將 DG 與 EG 連接（若外部電源異常時， Encoder 會有損壞的危險） ※ 符號對照表 Nℓ 1/R NM Tℓ T L Vℓ μ P B M η T pm 負載軸回轉速度 減速比 馬達回轉速度 → Nℓ×R 負載軸換算後的負載扭力 馬達扭力 → Tℓ× （ 1÷R ） 負載的速度 摩擦係數 導螺桿導程 直線運動部份的質量 機械效率 伺服馬達的最大扭力 （r/min） （r/min） （N • m） （N • m） （m/min） （m） （㎏） （N • m） 轉子慣量 負載慣量 慣量比 定格轉矩 使用最大轉矩 使用最大回轉数 加速轉矩 減速轉矩 運行轉矩 加速時間 減速時間 運行時間 動作週期 馬達実効負荷率 ※ 回生符號對照表 J M J L J L ∕J M T M T P ∕T S N M T P T S T L t a t d t c t cy P f [kgm 2 ] [kgm 2 ] [ 倍 ] [Nm] [ 倍 ] [1/min] [Nm] [Nm] [Nm] [sec] [sec] [sec] [sec] (0 ～ 1) ※ 回生符號對照表 回生放電晶體最大電流　 使用驅動器的電容容量 驅動器入力電圧 馬達驅動器効率 回生電圧 回轉・減速能量 電容充電能量 回生能量 回生開始時回轉数 回生開始時電力 外部回生抵抗選定値 必要回生容量 最大阻抗値 最小阻抗値 最大実効電流 最小実効電流 最長阻抗 ON 時間 最短阻抗 ON 時間 [A] [F] [V AC ] (0 ～ 1) [V] [J] [J] [J] [1/min] [W] [W] [Ω] [Ω] [Arms] [Arms] [ msec ] [ msec ] I P C V C η V S E R E C E N M ’ P MAX P R MAX R MIN I RMAX I RMIN t RMAX t RMIN ※ 單位換算對照 1gf • cm • S² = 0.980665×10 ¯ ⁴ kg • ㎡ 1kgf = 9.80665 N 1kgf • ㎡＝ 9.80665 N • m GD ² =4×g×J（kg • ㎡ ） g＝9.8（ m • S² ）