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伺服驅動系統之自動調適技術發展

摘要"

隨著時代的變遷,人們的生活變得更加舒適,相對的需求也變得更多樣,傳統工業生產對於現階段的需求已無法滿足。從18世紀的蒸氣機發明改變生產方式,19世紀的電力發明帶動了大規模的生產,20世紀電腦自動化控制進入工業發展,提高產品品質降低生產成本。直至21世紀的現今,網際網路技術的發展與自動化進行結合,最大的變革為提升電腦於工廠端的角色,加入了物聯網(Internet of Things, IoT)的概念,當機台可以連網時,即可透過大量數據進行分析與調適,此種方法不僅改變了傳統的工廠運行模式,更提升系統的管理效率,朝著數位化的方向進行發展。

關鍵詞:伺服驅動器、自動調適、調適模式

智能自動化趨勢

智能自動化是許多產業的重要趨勢,由傳統產業至電子產業皆有涵蓋,各種產業皆可仰賴以智能自動化來提升產能。而機械產業尤其重要,因各種工業皆以機械產業為基礎,機械產業包含機器人、機械手臂與工具機等。隨著技術不斷提升,各產業對於工具機精度要求也相對提高,為了維持高精度的運作,除了運動控制器技術提升外,驅動技術也需進行相對的升級。
通常需要定位的工具機臺絕大部分皆以伺服馬達進行驅動。現今伺服驅動技術已有所提升,如主要元件DSP與MCU運算速度的突破,新的演算法技術開發、自動調適技術的精進,甚至將演算法導入硬體FPGA執行,綜合上述皆可將伺服驅動器性能大幅提升。現階段已有許多驅動相關的智能化技術導入伺服驅動器,此舉不僅可提升伺服驅動器的性能,同時更可負荷自動化的產能需求。因此伺服驅動器賦予智能化技術提升價值為近年的研究發展重點。
本文的主要內容為介紹伺服驅動器的自動調適技術發展。此發展的自動調適技術,如驅動器自行規劃運行命令並進行機械參數的估測、增益與濾波器的調整等;發展至自動調適可透過響應與需求的選擇進行自動調整,如標準模式、響應模型與平衡模式。讓使用者可兼顧系統響應與穩定性達到較適當的執行方式。

自動調適技術說明

一般自動化產業中,大多需求為高性能的伺服驅動系統,為了因應各種條件下的響應需求,高階的伺服驅動器皆含有許多智能型功能,自動調適功能即為其中之一。自動調適功能包含兩種,一種為驅動器自行產生命令執行的線下自動調適;另一種為依照系統上位控制器命令運作執行的線上自動調適。透過自動調適功能可使系統運作時能保持一定的動態響應,同時因不需人工調整可以減少人力成本。
通常伺服馬達所產生的轉矩需先克服外擾,其於的轉矩才能夠使馬達轉子轉動,因此馬達的動態性能除了與參數相關之外,外擾對系統也有很大的影響。由上述可得知,在進行參數自動調適時需同時考慮外擾的影響[1]。
基本上,自動調適約可分為:參數的調整、控制剛性的調整與濾波器的調整。參數的調整部分,一般控制系統上,大都假設控制參數與實際參數相同,但假設與實際之間會有誤差存在使系統產生干擾,即為統稱的外擾,此時可使用數學模型的外擾觀測器進行觀測,其目的為抑制外擾部分的影響。外擾觀測器的其中一個應用為,當控制參數不準確時,即會輸出一定的輸出轉矩值以克服外擾。因此可得,若系統控制參數與實際參數相當時,外擾觀測器幾乎不太會有轉矩值輸出。依此種控制方式便可延伸至外擾觀測器進行數的調整[1],如圖1。
控制剛性的調整部分,一個實際的伺服系統通常採用多迴路控制架構。此種控制架構,具有先天的解耦合控制效果,其可以分層負責的完成一個伺服系統中所需要的位置、速度與電流控制,如圖2所示。一般而言,位置迴路使用比例控制器;速度迴路使用比例、積分控制器;電流迴路使用比例、積分控制器。通常越內側的迴路必須維持越高的響應性。若打破此原則,會使系統響應產生多階狀態並產生振動。由於電流迴路已具有充分的響應性,因此使用者不必進行調整。而位置迴路與速度迴路的設定方式,大多會將位置迴路與速度迴路的響應比例設定為1/4~1/6之間,依照不同的需求進行微調。當比例固定後即可將剛性往上調整,並於系統不產生振盪前提下,盡可能的將剛性往上提升,確保系統動態響應達到一定水準。
調整方式為,先於速度控制下,在機器不產生振動的範圍內,盡可能調升速度迴路增益,同時調升速度迴路積分增益。接著在位置控制下,同樣在機器不會產生振動的範圍內調升位置迴路
增益。
濾波器調整的部分,實際上當驅動系統與實際機台搭配時有可能因為機台自然頻率的關係,運作時會產生振動,通常會搭配濾波器將高頻段雜訊移除。當機械剛性較低時,由於軸扭曲引起的共振等會產生振動和噪音,有不能提高增益設定的可能性。這種情況下,通過用共振抑制濾波器抑制共振點,可設定更高的增益或降低振動[3],如圖3
所示。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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