光栅之伺服控制黎靖.pdf

光柵之伺服控制 黎靖 中華民國 97年3月 12日 問題 光柵之伺服控制 原來的方案 :伺服馬達 新方案 : 步進馬達 理由 :縮小體積 、降低價格 可行性 ：? 步進馬達和伺服馬達性能比較 認識敵人 光柵的運動型態 伺服控制的特性 負載輕: 多少? 角度的解析度 : 高或 低 ? 需要的最高及最低轉速 ? 需要快速的正反轉 : 常常或偶而 ? 加速與減速 : 快或慢 ? 工作溫度 : ? ( 90℃) 壽命 : ? (50000 hr) 步進馬達的性能能否符合需求? 最簡單的步進馬達 步進馬達主要特徵 通過脈波信號的操作，實現高精度的定位。 以步級角為單位進行定位。 5相步進馬達基本步級角為0.72，因此馬達轉 1圈可以分為500等分(=360度 / 0.72) 做為 定位基準。 旋轉角度與輸入脈波信號數量成正比。 旋轉速度則與輸入脈波信號的頻率成正比。 步進馬達開迴路控制 控制馬達的輸入脈波數目與步級角就能達成定位控 制。若步進角=1.8° ，輸入200個脈波則馬達將旋轉 一圈(1.8°×200=360°) 。 無法解決失速、失步問題。 步進馬達之特性曲線 失速與失步 失速 : 轉子跟不上激磁速度而靜止。 失步 : 馬達運轉中瞬間提高轉速時，轉矩下 降以致於無法負荷外界負載，而造成小幅度 的滑脫。 步進馬達之速度控制 步進馬達閉迴路控制 檢測馬達轉子的角位置，和定子線圈換相時，轉 子角度的變化。 閉回路控制的最大優點是不會產生誤動作，且系 統響應良好。 必須裝設位置檢出器，因此系統變得比較複雜。 步進馬達的選擇(1) 力學因素 1. 轉矩：TL 2. 負載的慣性慣量：JL 時間因素 1. 幾秒內加速至幾pps？ 2. 幾秒內移動多少步？ 解析度（步級角） 步進馬達的選擇(2) 轉矩 ：需以有負荷時之最大轉矩(kg-m)的1.5 倍~2 倍來決定。 負荷慣性慣量 ：依據使用場合計算負荷慣性 慣量，再依步進馬達規格表，選擇容許負載 慣性慣量需大於計算值之1.3 倍以上。 步進馬達的種類 永久磁鐵（PM）式 轉子以永久磁鐵製成。 有良好的扭矩能力但無法微小步 進。 當電源關掉仍然保持馬達在最後 停止位置之磁性拖曳力。 鋁鎳鈷系(alnico)磁鐵轉子之步 進角較大，為45°或90° 。 陶鐵系(ferrite)磁鐵可多極磁 化故步進角較小，為7.5°及 15° 。 可變磁阻（VR）式 使用齒形鐵輪當做轉子(取代永久磁鐵)， 扭矩能力較差也沒有無激磁保持扭矩。 VR馬達步進角較小 。 複合式步進馬達 轉子＝永久磁鐵軸心＋ 齒輪狀電極。 具備PM式與VR式兩者的 優點，具備高精確度與 高轉矩的特性。 複合式步進馬達的步進 角較小，一般介於 0.36°~1.8°之間。 複合式 步進馬達 轉子 兩相四極定子 激磁方式 常用之複合式步進馬達 複合式步進馬達激磁方式、步進角 二相與五相步進馬達比較 微步進驅動 (1) 微步進驅動 (2) 微步進的線性特性 不佳 佳 微步進驅動優缺點 減弱或消除步進馬達的低頻振動和 噪音問題。 提高馬達的運轉精度。 控制電路較複雜。 軸承 滑動軸承：軸與軸承間係以面接觸者