伺服機電整合技術

作者：

張雅玲、丁家敏、林振志、吳昱勳、邱國麟、張正敏

刊登日期：2023/06/29

摘要：伺服機電模組為現今工業化設備動力控制單元，影響整體設備輸出性能。因此，如何快速開發伺服機電模組成為目前業者主要需求，透過開發馬達數位設計軟體與馬達硬體模擬模組來輔助伺服機電模組研製，可加速開發進程。本文採用馬達設計軟體透過連結有限元素軟體來產出數位雙生模型，以協助馬達設計開發；馬達硬體模擬模組用來輔助馬達驅動器開發，將馬達硬體模擬模組與馬達驅動器以實際硬體方式連接，透過硬體在環概念，實現馬達驅動器功能模擬測試，降低開發風險與成本。透過馬達數位設計軟體與馬達硬體模擬模組的整合，協助伺服機電設計，達到虛實整合之目標，提升國產伺服機電模組之競爭力。
Abstract：The servo electromechanical module is the power control unit of today's industrial equipment, which affects the output performance of the overall equipment. Therefore, how to quickly develop servo electromechanical modules has become the main demand of the industry. By developing motor digital design software and motor hardware simulation modules to assist the development of servo electromechanical modules, the development process can be accelerated. In this article, the motor design software is used to generate a digital twin model by linking the finite element software to assist in the motor design. And the hardware simulation module is used to assist in the development of the motor driver. With the concept of Hardware in the Loop, by connecting the hardware simulation module and the driver, the function simulation test of the motor driver is realized, reducing the risk and the cost.Through the integration of motor digital design software and motor hardware simulation modules, assist servo electromechanical design, achieve the goal of virtual-real integration, and enhance the competitiveness of domestic servo electromechanical modules.

關鍵詞：伺服機電、數位雙生、硬體在環
Keywords：Servo system, Digital twin, Hardware-in-the-Loop

前言
自從Nikola Tesla在1886發明了感應馬達，其相關應用在世界上就拓展開來[1]，不僅在民生用途如家用抽水馬達，在工業上其數量也是相當可觀，以美國工業的使用量為例，估計至少有5000萬顆的感應馬達使用量。在目前以電力作為供應能量型式，三相感應馬達大多用來作為機械動力來源，連接交流電源就可直接運轉。感應馬達因使用方式較為便利，受到市場用戶肯定，其市場使用量是相當高，因此，其所需要的耗電量是相當龐大，如前所述運轉原理，從交流電源引入之電流，因其相位與交流電源時間較為延遲落後，功率因素在目前至少要求0.8，若功率因素過低，會造成發電端較大負載，在現今節能的需求下，對於感應馬達之效率是相當重視[2]，其國際效率規範分別為Standard efficiency (IE1)，high efficiency (IE2)，premium efficiency (IE3 and NEMA premium)，與super-premium efficiency (IE4)。
隨著政府節能減碳的政策被提出，能源短缺的議題逐漸被重視，工業界開始生產高效率感應馬達，為了解決高效率感應馬達的設計問題。故採用人工智慧來解決最佳化問題[3]，文獻有提到計算智慧是屬於人工智慧的其中一個技術分支。計算智慧主要是研究自適應機制，該機制使得在變化的環境中，其行為表現出智慧。這些自適應機制包括那些具有學習或適應新環境的方法；馬達設計參數的調整是需要人去調整，若能利用具備智慧化方法調整，取代人工調整，將可以幫助工程師處理相當多的事情[4]。
永磁無刷馬達可用於自動化產業，汽車，機器人，船舶和飛機等多個領域。在稀土磁性材料進步的今日，永磁馬達不僅設計得更強大但質量較低，轉動慣量較低，具有效率高，結構簡單的特點，易於控制等。藉由變頻驅動的永磁馬達成為運動控制應用的可行選擇，如機器人技術，工具機，電動載具等。隨著電力電子技術的快速發展和成本下降，使得變頻驅動的永磁無刷馬達已被廣泛用於工業[5]。
無刷馬達應用在高速的應用場合中，電動載具作為主要需求，其趨勢發展被政府與產業列為重點發展項目[6]。電動載具包含非常廣泛，常見如公車、火車、高鐵，甚至是電動車，都是正在被開發或是已經開發完成的產品，其它像是船舶或電梯，也逐步開始使用永磁電機作為動力來源。馬達驅動器作為推動馬達進行運轉的上位控制器，以其電力來源，可分為兩大類，交流(AC)或直流(DC)，若是可以連接上台電端，主要以交流電為主，在推動馬達運轉，需要進行交流轉直流，而後將直流變頻為交流電流，推動馬達變頻運轉。若是採用直流電源，如電池，則只需要將直流進行變頻，轉為交流電流供應馬達運轉，其電力轉換模組則較為簡單[7]。
馬達驅動器設計開發，一般馬達驅動器其組成分為兩大部份[8]，強電部分與弱電部分如圖1所示，強電部分包含整流與開關電路，弱電部分包含電源模組，脈波寬度調變，與微控制器三個部分。驅動器輸出電流電壓至馬達部分，驅動器也連接上位控制器。
綜合上述，馬達與驅動器的開發，所需涵蓋的知識領域非常多，且需要較多資金的投入，且越大功率的機型開發，其開發風險越高，因此，如何降低開發成本是近幾年逐漸重視的課題。

圖1 馬達驅動器硬體實現架構

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