伺服馬達的控制藝術：從基礎到高級通訊

導言：
伺服馬達是自動化工程中的重要組件，它們能夠提供精確的運動控制和力量。

了解不同的伺服馬達控制方式對於工程師來說是基礎知識，

本文將介紹從基本的脈波控制到複雜的工業通訊協議。

脈波控制模式：
伺服馬達可以透過脈波信號來控制，這是一種開環系統。

控制器會發出一系列脈波，馬達會根據這些脈波的數量和頻率來精確移動到指定位置。

扭力模式：
在扭力控制模式下，伺服馬達的運動取決於其扭力輸出。

這種模式下，驅動器會監測電流（與扭力成正比）來控制馬達運動，

以達到所需的扭力水平。

單晶片可以控制伺服馬達嗎??

單晶片可以控制伺服馬達嗎?

這裡指的是工業用伺服馬達，台達、三菱、安川這種的。


其實這裡就有一個問題是：

伺服馬達 有限制只能接PLC嗎?


從之前寫的伺服馬達接線可以看到：
https://vkinngworld.blogspot.com/2015/05/blog-post.html
裡面提到的都是電路，只要支援都能觸發。

像伺服的輸入，大多是光耦電路，只能導通就能觸發，沒限制一定要什麼裝置。

而脈波輸入的話，更是5v的電路。

像之前也利用過arduino去連工業用的HMI(人機)。
https://vkinngworld.blogspot.com/2017/01/hmirs232modbusarduino.html


所以兩個裝置要相連，就要看雙方有沒有共同的溝通方式，或是電路。
如果沒有就要相辨法轉接。

5v電路轉24v電路，也是可以的。


但最最基本的，還是要了解到基本的電路，幾種形式。

輸入：光耦電路是一定要了解的。led的電流、電阻選配
輸出：開集極電路，光耦電路。

PLC 可以直接控制伺服馬達嗎?

PLC 可以直接控制伺服馬達嗎?

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PLC 可以直接控制伺服馬達嗎?

如果有使用過伺服馬達的人，應該都會回答：可以。

但如果從細一點的層面來看：
我們常說的伺服馬達，其實是包含「伺服驅動器」、「伺服馬達」
兩個部份，一起成套銷售。

所以我們PLC常接的方式是。
PLC利用輸出點，發送5V/24V脈沖，給伺服驅動器，當做命令。

然後伺服驅動器，才照脈沖命令來控制伺服馬達。
而伺服驅動器控制伺服馬達這部份的電壓通常是很高，電流也不低，
所以這部份是不可能用PLC來控。


總結：
PLC 可以直接控制伺服馬達嗎?
應該是說：
PLC發送命令給伺服驅動器，伺服驅動器來控制伺服馬達。

PLC可以控制馬達嗎? 可以控制多軸馬達嗎?

這是一個常見的問題。

但這個問題，本身就有很多問題(不確定)，導致答案其實有很多。

1.馬達的種類有：
步進馬達，DC馬達，AC馬達，伺服馬達(又分工業用及自造用)...等。
不同的馬達有不同的控制方式(☆重點☆)。






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2.PLC控制的是什麼? 馬達嗎?

PLC 接伺服馬達不會動?

PLC 接伺服馬達不會動?

明明沒有警報，為什麼PLC有發送脈波卻不會動!?

檢查：
1.伺服馬達是否有SERVO ON。用手轉伺服馬達的軸心，看是否轉得動，
轉不動：正常。  至STEP 2
如果轉得動，就是沒有SERVO ON，==>查接線，或是參數。

2.PLC的發送脈波速度，調成1HZ速度，並觀查PLC的輸出燈號，看是否有閃爍。
有閃爍：PLC發送正常，查伺服。 步驟3
沒閃爍：查PLC的Y接點是否被佔用。  偏向PLC問題。

3.查伺服參數的控制方式，是否為脈波+方向?脈波的輸出方式，開集極?差動?
確認參數都正常，接線也正常，步驟4

如果有修改參數，伺服馬達可能要重新上電。
脈波跟方向的接線是否錯誤?
脈波的輸出方式，是差動Line Driver或開集極Open Collector

4.查電子齒輪比是否過大或過小?
電子齒輪比過大或過小，有可能造成，馬達在動，但動太小，看不清楚
或是超過馬達的轉速可能不會動。

通訊控制伺服馬達，伺服馬達該如何接線?

通訊控制伺服馬達，伺服馬達該如何接線?
使用通訊控制伺服馬達，是不是就不用接控制線了?


這是最近有人在發問的問題?
也是越來越多人走通訊控制後的問題。

其實這有兩個層面：

1.伺服馬達的接線是在接什麼?
2.通訊控制，是在控制什麼，傳什麼資料。

PLC 跟其他裝置連結 ? HMI、PC、伺服、機器視覺.....

PLC 跟其他裝置連結 ? HMI、PC、伺服、機器視覺.....


PLC連結HMI其實已經非常多人用，
也不會有特別的問題就照著設定。

但連接其他PC、伺服、機器視覺，就突然遇到瓶頸了。

回到HMI的設定中，其實就包含了，設定其他裝置所需要的知識。
只是您可能沒注意到。

其實有兩個要注意，及設定的項目：
1.硬體
2.通訊協定

伺服馬達的增益?最佳化的增益?可用的增益?有什麼差?

伺服馬達的增益，相信多人都是用自動增益調整去調的。
我覺得沒什麼不好的。

或許有些人學了波德圖(Bode plot)後，才說什麼自動增益調整，
好落後喔!

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所以要先了解，什麼是好的增益，什麼是最佳化的增益，
才來判斷是否需要波德圖來輔助。

PLC 接線到 伺服馬達的 脈波控制

PLC要接到伺服馬達，一般都會選高速輸出接點 來接。

而高速輸出接點，其實也有分，"差動輸出" or "高速-開集極"

以接伺服馬達的脈波輸入點來說，

會遇到的問題就是，不是一直使用的24v。

不論是差動或是開集極，都可能要使用5v來輸出，

不然可能會燒毀伺服馬達的輸入點。

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台達伺服A2

如果透過Pull-hi_S 會多經過一個1K電阻。

通過LED的電流為24V/1.102K=約21mA

PLC使用的伺服控制指令：PLSV、DRVA、DRVI

在PLC上，常用的伺服控制指令有：

PLSV：可調變脈波輸出

DRVI：相對位置定位

DRVA：絕對位置定位

PLC指令PLSY、DRVI、DRVA的頻率轉成RPM 或 速率

PLC的脈波發送指令：PLSY、DRVI、DRVA，都是以頻率為基準，
而不是一般認知的RPM或是mm/min。


在轉換之前，你應該了解，一個脈波，跟馬達轉動之間的關系。
請參考：
一眼就看懂-伺服馬達的電子齒輪比
https://vkinngworld.blogspot.tw/2012/04/blog-post_29.html

了解電子齒輪比後，就知道
一個脈波=多少圈   例：0.0001

每轉脈波數= 馬達編碼器脈波數/電子齒輪比
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伺服馬達的簡易接線介紹-3

伺服馬達的簡易接線介紹
http://vkinngworld.blogspot.tw/2015/05/blog-post.html
伺服馬達的簡易接線介紹-2
http://vkinngworld.blogspot.tw/2015/06/2.html

上二篇介紹了那些應該要接，但你可能不知道該怎麼接!?
如下圖，SIGN、/SIGN、PULSE、/PULSE
他的輸入要三角形，一端還有一個圈圈，我們會稱為差動輸入。


除非一些專門PLC就是要對應伺服馬達，才會有專門的輸出點來對應。
如下圖為台達DVP-EH系列的主機，也只有Y0-Y3為這種差動輸出

伺服馬達的簡易接線介紹-2

上一篇：伺服馬達的簡易接線介紹

http://vkinngworld.blogspot.tw/2015/05/blog-post.html

介紹了那些線，是在初期測試時一定要接的，
這篇要介紹，其他線為什麼不用接，還有會用在那邊!?

上圖標示了10個區塊，是上一篇沒有說明的地方，這篇一一說明：

區塊1.RS232 & RS485的通訊接口

看名稱就知道是通訊時候在使用的，

可以透過通訊方式，修改內部參數，設定值。

如果是用在自定位功能，可以修改定位點的位置。

PLC搭伺服定位精度不足，怎麼辨!?節距補償

伺服定位不準?PLC送的脈波數，跟伺服收到的一樣，

機構也完全沒跑掉，但定位精度就是不足!?

螺桿是pitch=10mm，伺服每轉1280000脈波，

算起來每個脈波是0.007um的距離，每次定位都會差幾十um，是什麼問題呢?

.

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很多網友第一個想到的就是背隙，

背隙是會導致定位誤差，但相對的只有在反向的時候會發生，

如果是同向，是不會有背隙的。

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我要提的是導螺桿的誤差

導螺桿是把伺服馬達旋轉，轉換成直線運動的一個零組件，

而是用機械加工而成的，

所以也會有誤差的。

下圖就是THK螺桿的誤差示意圖。

藍色線是實際運行的距離

當然精度越高，價格也越高，可以參考下圖的精度等級表

THK自已量測的誤差圖

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然而目前在CNC對應補償方式都是「節距補償」

節距補償，就是把整隻螺桿，切成小間段，

再量測每個間段之間的誤差，

再填入參數表中。

可以畫成下圖的曲線

例：間段為20mm

0-20mm= -1um

20-40mm=+1um

系統在走0-20mm時，會自動多走1um

反而在20-40mm時，會自動少走1um

來確認最終位置的準確度。

目前應用在CNC機台上，定位精度都可以達到5um以下，重覆定位精度2um

目前PLC上，我還沒看到有這類的功能................

伺服馬達另一個常見的定位錯誤現象

有時候，原本要跑到A位置，卻一直到B位置。

重開機或是回原點後，就有可能恢復到A位置。

A、B位置很固定.

.

觀察伺服收到的脈波數量，是跟PLC發送的一致，

軸心位置也一樣，機構也沒跑掉.....怎麼會這樣。

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之前的BLOG文章有寫過：

http://vkinngworld.blogspot.tw/2014/08/blog-post_24.html

伺服馬達(非絕對式)開機都需要回原點，

如果回原點找錯，

以後的位置都會全錯。

.

伺服馬達最基本的原點方式：

1.往負方向移動，速度HSPD1

2.碰到原點開關(ORG ON)後，減速停止，

3.停止後，往正方向移動，速度HSPD2

4.離開原點開關(ORG OFF)後，

5.開始找伺服馬達Z回授信號，

6.找到Z回授信號，減速停止，

7.完全停止後，即為原點。

.

.如果「4.離開原點開關(ORG OFF)後」，跟「伺服馬達Z回授信號」

幾乎同時產生，就有可能原生兩個原點。

1.離開原點開關，馬上找到Z。(A)

2.離開原點開關，馬達轉了一圈後，才找到Z。(B)

.

.發生這種問題，有幾點特徵：

1.正確的位置，跟錯誤的位置，固定差馬達一圈的距離。

2.發生錯誤的位置，也是非常固定的。

.

.

解決辨法：

把原點開關(ORG OFF)，往前/後，移動馬達半圈的距離。

.

.

現在的伺服馬達也有增加類似的檢測功能，

可以設定馬達找Z點，超過1圈，就發生警報。

伺服增益沒調好，對路徑的關系!?

當伺服增益越低時，命令位置，跟馬達實際位置，會差距大，

但伺服增益越高，會引發機械共振，

如何使伺服增益在最合適的值，是就調機的重點了。

伺服馬達增益(剛性)介紹

伺服馬達的增益在參數裡就是主要指，位置控制增益(KPP)、速度控制增益(KVP)、速度積分補償(KVI)這三個主要項目。其餘相關的細項不在本篇做一一介紹。


位置控制增益(KPP)：
位置控制增益決定位置回路的應答性，位置控制增益值設定越大對於位置命令的追隨性佳，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。

建議設定值：位置回路響應頻率(Hz)=KPP/2π

速度控制增益(KVP)：
速度控制增益決定速度控制回路的應答性，速度控制增益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。
速度控制增益值越大，頻寬越大，速度上升時間越短，但過大時系統的相位邊界越低。速度控制增益對於動態追蹤誤差(速度命令的追隨性)，具有明顯的幫助。

建議設定值：速度回路響應頻率(Hz)=KVP/[(1+負載慣量比)X2π]

速度積分補償(KVI)：
速度積分補償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。
速度積分補償值越大，低頻增益越大，穩態追蹤誤差(定位誤差)越快變成零，但系統相位邊界大幅降低。對於穩態追蹤誤差，速度積分補償有明顯幫助。但對動態追蹤差(速度命令的追隨性)，速度積分補償沒有明顯的幫助。

建議設定值：KVI≤1.5X速度回路響應頻率

栅格量?伺服馬達的栅格量如何調整?

栅格量要說明前，先要從伺服馬達回原點的方式來說明。

伺服馬達最基本的原點方式：
1.往負方向移動，速度HSPD1
2.碰到原點開關(ORG ON)後，減速停止，
3.停止後，往正方向移動，速度HSPD2
4.離開原點開關(ORG OFF)後，
5.開始找伺服馬達Z回授信號，
6.找到Z回授信號，減速停止，
7.完全停止後，即為原點。









但如果Z信號，跟ORG過近，會發生有兩原點的情形。

原因：
1.離開ORG後，馬上找到Z信號
2.離開ORG後，剛好錯過Z信號，會差一圈馬達距離。

其他還有馬達沒加速到HSPD1，就減速，那停止距離就短，
再起動時的距離就不足到HSPD2，那踫到Zpulse時，再停止的距離，因為速度不同，
結果也會不同。
--------------
當機台使用時間長，或是震動的情形下，ORG也可能因此被移動，
這時候原點也可能發生問題。

這現象都是剛好馬達差一圈的距離，加工尺寸不會有問題。

最簡單的處理方式：就是把原點往下往上移動一點距離(半圈馬達距離)即可。
--------------
因此有所謂的柵格量的產生，

『柵格量：就是原點信號到伺服馬達Z信號之間距離(脈波數)』

柵格量該如何調整?
先前已提到ORG有可能因機台震動，而移動往前?往後?不可預知。
在這種前提下，該如何設定柵何量!?


得到一個結論：
就是把柵格量設定成馬達半圈的距離(兩個Zpulse的中間距離)
不論原點SENSOR (ORG)往前、往後都有最大的空間。

開回路控制(open loop) 閉回路控制(close loop)全閉回路控制。

※ 本文原撰寫於 2014 年，已於 2026 年重新編排整理，並加入最新自動化通訊控制趨勢，提供更易讀的圖文解說。

什麼是開迴路、閉迴路與全閉迴路控制？PLC與馬達控制基礎

在自動化控制系統中，如何確保馬達精準移動到我們想要的位置是一大課題。根據上位控制器（PLC）、驅動器與馬達之間的「回授（Feedback）」機制不同，主要可以分為開迴路、閉迴路以及全閉迴路控制。這篇為大家整理這幾種控制方式的差異與優缺點。

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一、 開迴路控制 (Open Loop)

原理：上位控制器（PLC）發出命令給驅動器後，系統不會去確認馬達是否有確實完成動作。

• 常見應用：步進馬達 (Stepper Motor)
• 缺點：如果上位控制器到驅動器，或是驅動器到馬達之間的命令受到外部雜訊干擾，或是發生失步，馬達的位置就會不對，且系統無法自我修正。

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二、 半閉迴路控制 / 驅動器閉迴路 (Semi-Closed Loop)

原理：從上位控制器（PLC）的角度來看雖然是單向發命令，但驅動器本身會抓取馬達的編碼器（Encoder）回授位置。如果馬達不到位，驅動器內部會自行計算並再次命令馬達移動補正。

• 常見應用：伺服馬達 (Servo Motor)
• 缺點：如果干擾是發生在「上位控制器到驅動器」這一段的命令傳輸，驅動器依然會照著被干擾的錯誤命令去執行，導致最終馬達位置不對。

💡 產業趨勢補充：通訊總線 (Fieldbus) 逐漸取代脈波/電壓命令
過去常使用電壓命令 (Vcmd) 或脈波命令 (Pcmd)，這類連續訊號一旦受到干擾，位置誤差便無法挽回。現在的自動化趨勢多改採用通訊/總線方式 (如 EtherCAT, Mechatrolink 等)，如果訊號受到干擾導致封包錯誤，系統可以要求重新發送，大幅提升了抗干擾能力。

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三、 閉迴路控制 (Closed Loop)

原理：上位控制器（PLC）發出命令後，會主動抓取驅動器的回授位置進行比對。系統會確認馬達是否有確實移動到命令要求的位置；如果不對，PLC 會再次下達命令進行補正，直到完全到位為止。

• 缺點：即使馬達本身確實轉到了指定角度，但馬達的旋轉運動通常需要透過「滾珠螺桿」等機構轉換成直線運動。這中間產生的機械誤差（如螺桿背隙、熱膨脹），閉迴路系統是無法察覺並修正的。

🔗 延伸閱讀：

• 螺桿的誤差產生原因
• 如何進行螺桿的補正

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四、 全閉迴路控制 (Fully Closed Loop)

原理：這是最高精度的控制方式。命令發出後，系統不只看馬達的狀態，而是直接從最終機構端（例如安裝光學尺）抓取實際移動的回授訊號，再交由系統去修正下一次的命令。

• 優點：可以直接消除馬達傳動到最終機構之間所有的機械誤差（如螺桿背隙、皮帶延展等），達到極高的定位精度。

控制伺服馬達定位控制，不使用PLC---第一階段完成。

整體圖：

人機+伺服驅動器+伺服馬達

伺服馬達配線：

CN1 主要的脈波輸入，是空的，沒接。

只接RS485。(圖中利用一個轉接器，方便用RJ45的線)

人機畫面：路徑設定畫面

連續：表示這行執行完畢後，是否接下一行。END=結束，NEXT，接下一行。(觸碰切換)

位置：馬達定位的位置。

速度：0-9輸入。0-9各代表一種速度，可個別設定。(架構限制)

延遲：代表定位完成後，延遲多少時間，才接下一單節or結束。

             輸入0-9代表不同的延遲。

範例1：

上圖中表示：

按RUN後，馬達會以「速度1」，轉到「位置：0.0」，延遲=0，

再以「速度5」，轉到「位置9999.000」，延遲=0，結束程式。

範例1速度曲線示意圖

範例2：

上圖中表示：

按RUN後，馬達會以「速度1」，轉到「位置：0.0」，延遲=0，

再以「速度5」，轉到「位置9999.000」，延遲=0，

再以「速度9」，轉到「位置5000.000」，延遲=0，結束程式。

範例2速度曲線示意圖

範例3：

圖中表示：

按RUN後，馬達會以「速度1」，轉到「位置：0.0」，延遲=0，

再以「速度5」，轉到「位置9999.000」，延遲=3(1秒)，

再以「速度9」，轉到「位置5000.000」，延遲=0，結束程式。

範例3速度曲線示意圖

第一階段，用人機來觸發移動。(移動期間人機可以OFFLINE)

下一階段，用I/O觸發，人機只是設定用，設定完可以移除。