台達電子工業股份有限公司 機電事業部／許宏成博士

「伺服馬達」是產業機械設備廣泛使用的動力元件，由於產業機械的機構傳動性能主要取決於伺服馬達輸出特性，而伺服馬達的定位功能直接關係到機構運動的精密度，同時控速功能也影響機構運動的平穩性，所以精準定位及平順控速是伺服驅動的必要條件。在自動化的需求與日俱增的情況下，如何以最合理的價位及選擇適當功率的伺服馬達，已成為當今發展自動化、精密化、提高產品附加價值的重要環節！

近年來，隨著半導體、液晶面板等電子製造業蓬勃發展，高速且精準的伺服馬達也廣受重視！對反覆運動性能的產業機械來說，低慣量、高轉速、高速度響應頻寬及小體積的伺服馬達有其市場需求；另外，高精度循跡性能既是工具機性能的保證，因此合適的轉子負載慣量比、高速度響應頻寬以及低轉速平穩性也成為採購伺服馬達的必要條件。

早年政府雖已將伺服馬達列入十大新興工業項目，然而一直以來，國內廠商卻無法在高階伺服馬達上與進口品匹敵，其主要問題點在於控制原理、永磁馬達特性及光學編碼器技術上無法突破。如今，台灣身為全球工具機第六大生產國，但是精密工業的關鍵零組件進口依存度與出口比率仍高居70%以上；由此可見國內產業對高精密伺服馬達需求的殷切，而這也涉及提升台灣出口產品定位的重要性！從另一方面來看，隨著海內外在半導體、光電、通訊等高科技領域的發展，所需的模具與加工設備的商機也非常龐大，台灣如果可以在精密工具機產業上完全自製化，將可為相關應用產業上創造更大的市場利基；反之，「交流伺服系統」如果一直仰賴進口，台灣整體的基礎機械工業發展將無法完全自主掌握而一直屬於浮根狀態。

台達電子基於提升國內精密機械工業水準的使命感，從1995年開始即致力研發變頻器，經過多年的努力，變頻器的銷售量在台灣已是第一位，優秀性價比的產品亦已與歐美日先進廠商產品並列同一水平。2004年，台達電子開始生產完全自主研發的交流伺服產品，所呈現的性能與三菱、安川同屬一列；這一系列的伺服馬達，其搭載的編碼器解析度為10,000線，適用於一般產業機械需求。隨後台達電子也投入研發人力開發下一世代的交流伺服，將編碼器解析度提升至20 bit（也就是每轉一圈可以分辨出1百萬的解析度），相信配合國內上下游產業的精密工具機，台達電子將可提供一個物廉價美的交流伺服關鍵零組件！

回顧過去，「交流永磁伺服」在1990年正式在市場出現時，即使改善了直流伺服有電刷積碳需要保養維護的問題，然而由於仰賴較複雜的運算，而CPU的速度卻不快的情況下，驅動器只能以全類比零件來完成簡單功能；在1996年後，DSP強大的運算力使得向量型控制理論得以實現，同時電流驅動也從功率電晶體轉為IGBT 開關模組，使整體驅動器的效率達到95%以上。今日，永磁式的伺服因為體積小、效率高、響應快、精度高等因素，對於工作精細度要求較高的機械設備如CNC的工具機及半導體相關等機械設備產業已不可或缺；另外，伺服馬達的編碼器也從早期的A/B/Z型態逐漸轉型到解析度更高的型態，使伺服馬達的定位精度及響應性的提升都有正面的助益──這個趨勢可以從伺服的發展史得到印證，伺服用的編碼器解析度從4,096線到17/18bit (131,072/262,144線) 再到20bit(1,048,576線)並持續向上提昇，解析度及精準度越來越高──然而就如電腦的CPU一樣，伺服系統的功能及性能越來越強，價格卻更實惠。

工業先進國家如美國、德國、日本等國都非常重視「交流伺服」產業的發展，德系廠商西門子最早有產品上市，之後日本廠商安川、三菱急起直追。這些國家之所以如此重視這個產業的發展，其主要原因正是因為「交流伺服」為自動化設備、工具機及一般產機的主要驅控的動力來源。簡言之，目前高階交流伺服馬達及驅動器的技術要點可包含：

(1) 由於高磁能積永磁材料及低損耗矽鋼片的導入，使得馬達效率可以達到85%以上，減少能源消耗；同時馬達的體積也可以縮小從而降低原物料的用量。

(2) 大量使用電腦輔助馬達設計軟體，優化結構、磁路及導熱系統設計，加速開發時程並提升馬達輸出特性。

(3) 編碼器的正弦插補技術提升回授元件的解析度。早期編碼器由每360度光學分辨率2,000線 提升到10,000線，透過正弦的插補技術使得解析度得以跳脫光學解析度的限制而到達17 bit以上。

(4) 驅動器的驅動元件以IGBT及IPM為主，使DC 轉AC 的電路效率大幅提升。而控制電路早期以MCU 搭配類比控制電路為主，現在則以DSP 來進行全數位化，操控性能及系統穩定性得以進一步優化。

(5) 向量控制理論藉由高速DSP 得以被實現，同時電流迴路的響應頻寬延申至2kHz，同時速度迴路也可設定至500Hz。負載慣量估測、輸出功率過載率、以及共振抑制濾波器這些功能都包含在韌體程式內。

再回到台達電子在「交流伺服」產品的發展，自2004年推出第一代的伺服A系列（搭配的馬達為解析度2,500ppr，約10,000線解析度）後，逐漸建立了市場口碑。為了提供客戶更完整及性能、功能更佳的產品，台達目前也已開發出具20 bit解析度的編碼器並搭載於大馬力的ASDA-A+系列產品；同時，具備高速通訊伺服驅動器ASDA-A2系列與搭配高解析20bit編碼器的伺服馬達之下一世代產品也將於2008年初推出。台達A2系列可以藉由單一條的高速通訊線來控制多台的高解析度(20bit)伺服馬達，滿足客戶配線容易、性能卓越的渴求。