臺灣博碩士論文加值系統

摘要
在機械與電機相關產業上馬達的應用十分普遍，又因伺服馬達應用在定位上優於其他馬達，所以伺服馬達在相關產業的被使用程度相當的高，但馬達內部的軸承使用壽命有限，必須經由人工重新拆裝更換軸承才能使馬達運轉順暢。馬達在長期使用下，軸承會因為潤滑油不足、軸承磨損、軸承安裝不良等問題，導致轉軸運轉不順，所以馬達的維護工作主要重點是軸承的替換與保養，而在伺服馬達保養軸承的過程中難免會去拆卸編碼器，因此維護後編碼器的定位校正為本論文的研究重點。
馬達在保養過程中，最怕去拆卸到編碼器，因為編碼器的校正動作十分繁瑣，而且校正不精準會導致馬達的運轉效率大幅降低並使馬達本體發燙，本論文主要為降低成本、節省人力、提高可靠度，達成編碼器與轉子位置相對關係的校正，因此開發一套半自動伺服馬達校正平台。研究內容包含機構設計、自動化檢測監控程式撰寫、定位系統整合測試等，並以LabVIEW軟體量測反電動勢波形與光學編碼器的相對關係，以達到快速校正的目標，完成半自動伺服馬達維護之校正平台設計，可大幅縮短伺服馬達校正時間、保持伺服馬達效能。

關鍵字:伺服馬達、光學編碼器、LabVIEW、 反電動勢。

Abstract
The applications of motors are very common in the machinery and electrical machinery related industry. Furthermore, the localization precision of the servomotor is more superior to the other motors; therefore the servomotor is used in the related industry more than the others. If there are some errors of the phase change position of brushless DC motor and the optical encoder gauges the position, when the motor is driven for any application, the motor main body would feel hot and operate not smoothly or even affects the automatic station operation, no matter the errors are assembly mistake as the motor leaves the plant or reassembly mistake as makes the maintenance service. Therefore, this research in view of the servomotor encoder position gauging and the adjustment designs a set of semi-automatic gauging system for the brushless DC servomotor.
We will pick up the three-phase counter electromotive force profile voltage signals to make sure the rotor position and then to adjust the encoder and to focus the disk position of the encoder precisely. The research contains the gauging organization and the examination circuit design, the LabVIEW software composition and the optical encoder and the phase change signal relative relational discussion. We use the semi-automatic measurement system to measure the waveform of the voltage signals of counter electromotive force to decide the phase change signal to compare with the signal of encoder to detect the position error and to complete the adjustment work. The test results show that the proposed system could measure the two signals and adjust the disk position precisely to maintain the efficiency of the servomotor.




Keywords: brushless DC servomotor , encoder , LabVIEW

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目錄 iv
第一章緒論 1
1.1 研究目的與動機 1
1.2 文獻回顧 2
第二章 硬體架構與機構設計 4
2.1 感應馬達介紹 6
2.2 伺服馬達介紹 7
2.3 光學編碼器原理 13
2.4 微量旋轉機構設計 18
2.5 步進馬達介紹 18
2.6 編碼器夾具與馬達聯軸器設計 20
2.7 PCI-6259資料擷取卡 21
2.8 SCC-68 I/O接線盒 23
2.9 軟體LabVIEW介紹 24
第三章 系統開發與程式設計 29
3.1 DAQ擷取原理 29
3.2 編碼器定位方法 39
3.3 定位系統程式設計 43
3.4 步進馬達程式設計 51
第四章 測試與討論 53
第五章 結論 59
未來與展望 59
參考文獻 61
圖目錄
圖 2-1 本系統硬體構造圖 5
圖 2-2 校正流程圖 5
圖 2-3 速度控制馬達 7
圖 2-4 伺服馬達分類 8
圖 2-5 直流伺服馬達內部構造圖 9
圖 2-6 交流伺服馬達內部構造圖 10
圖 2-7 磁場交互作用 11
圖 2-8 光學編碼器 14
圖 2-9 A、B、Z相比較 15
圖 2-10 四倍頻技術 17
圖 2-11 微量旋轉機構示意圖 18
圖 2-12 步進馬達內部構造圖 19
圖 2-13 步進馬達 20
圖 2-14 編碼器夾具 20
圖 2-15 多功能資料擷取卡PCI-6259 21
圖 2-16 SCC-68 I/O接線盒 23
圖 2-17 人機介面 25
圖 2-18 程式方塊圖 26
圖 2-19 工具面板 28
圖 2-20 控制面板 28
圖 2-21 函數面板 28
圖 3-1 資料擷取架構 30
圖 3-2 解析度比較 31
圖 3-3 量測系統選用 32
圖 3-4 DAQ Assistant設定 34
圖 3-5 Analog Input設定1 34
圖 3-6 Analog Input設定2 35
圖 3-7 Z相訊號 AI設定 36
圖 3-8 UV反電動勢 AI設定 36
圖 3-9 Analog Output設定 37
圖 3-10 正轉AO設定 38
圖 3-11 逆轉AO設定 38
圖 3-12 輸入定值激磁電流 39
圖 3-13 維護前轉子位置 40
圖 3-14 維護後轉子位置 40
圖 3-15 編碼器輸出顯示 41
圖 3-16 校正完畢 42
圖 3-17 感測圓盤圖 42
圖 3-18 程式架構流程圖 45
圖 3-19 馬達線圈 46
圖 3-20 擷取Z相訊號 47
圖 3-21 將Z相訊號與U相訊號做比對 48
圖 3-22 計算編碼器位置差距量 49
圖 3-23 量測抓值週期與頻率 50
圖 3-24 步進馬達程式架構圖 51
圖 3-25 步進馬達控制程式 51
圖 4-1 馬達線圈 53
圖 4-2 輸入定值激磁電流 54
圖 4-3 Z相與U相反電動勢比較圖 55
圖 4-4 量測訊號人機介面 56
圖 4-5 步進馬達人機介面 57
圖 4-6 量測訊號人機介面2 58
表目錄
表 2-1 電容式感應馬達規格 57
表 2-2 交流伺服馬達優缺點比較 58
表 2-3 PCI-6259規格 56
表 3-1 使用涵數介紹 57
表 4-1 量測數據 58

[1]董烱明, “自動化定位技術圖集,” 全華科技圖書股份有限公司
[2]劉清源、詹福賜, “精密測定技術便覽,” 全華科技圖書股份有限公司。
[3]顏嘉男, “泛用伺服馬達應用技術,” 全華科技圖書股份有限公司。
[4]鄒應嶼, “交流伺服驅動系統簡介,” 國立交通大學。
[5]陳文耀, “電動機控制工程,”複文書局。
[6]許溢适, “步進馬達原理與應用,”全華科技圖書股份有限公司。
[7]鄭清木, “轉盤式負載機構用之定位馬達研究,”私立中原大學碩士論文。
[8]石富元 ,“以USB實現步進馬達控制,”國立交通大學碩士論文。
[9]黃繼震,“光學編碼器的訊號擷取界面與應用,” 中山科學研究院馬達科技研究中心 第四十期 2003/AUG/13
[10]陳秉瑜, “交流伺服馬達驅動器與整合式旋轉編碼器之介面設計,”南台科技大學碩士論文。
[11]曹振夫, “260M光學轉角編碼器結構與原理,”光學機密工程期刊第3卷第5期。
[12]D. Yousfi, M. Azizi, and A. Saad, “Robust position and speed estimation algorithm for permanent magnet synchronous drives,” IEEE Industry Applications Society, Conference, vol.3, pp.1541-1546, 2000.
[13]J. P. Johnson, M. Ehsani, and Y. Guzelgunler, “Review of sensorless methods for brushless DC,” IEEE Industry Applications Society, vol.1, pp.143-150, 1999.
[14]A. Consoli, S. Musumeci, A. Raciti, and A. Testa, “Sensorless vector and speed control of brushless motor drives,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.41, pp.91-96, 1994.
[15]K. Tatemarus, D. Hamada, K. Uchida, S. Wakao, and T. Onuki, “New approaches with sensorless drives,” IEEE Industry Applications Magazine, vol.6, pp.44-50, 2000.
[16]A. Abbondanti and M. B. Brennen, "Variable speed induction motor drives use electronic slip calculator based on motor voltages and currents," IEEE Trans. Ind. Appli., vol. 11, no. 5, Sep/Oct 1975.
[17] Pillay and R. Krishnan, "Application Characteristics of Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motors for Servo Drives," IEEE IAS Annu. Meeting Conf. Rec., pp. 380-390, 1987.
[18]Akira Shimada,Yu. Kishiwada and Michiyo Arimura, “AC servo motor position sensorless cotrol using mechanical springs,” IEEE International Workshop on Advanced Motion Control ,pp.559-562,2006
[19]蕭子健、王智昱、儲昭偉, “虛擬儀控程式設計LabVIEW 7X,”高立圖書有限公司。
[20]惠汝生, “LabVIEW8.X 圖控程式應用,”全華科技圖書股份有限公司。
[21]林俊宏、韓威如、莊智元, “LabVIEW硬體介面-DAQ感測器篇,”高立圖書有限公司。
[22]策劃/謝澄漢 審閱/蕭子健, “LabVIEW8.X 實作寶典,” 宏友圖書開發股份有限公司。
[23]劉建昇、游睿、張信豪, “數位訊號處理-LabVIEW&生醫訊號,”宏友圖書開發股份有限公司 。
[24]王正男、惠汝生, “自動量測系統-LabVIEW ,”全華科技圖書股份有限公司。
[25]蕭子健、周森益、鄭博修、林佩瑜、黃欽章 , “LabVIEW分析篇,” 高立圖書有限公司。
[26]林俊宏、蕭子健, “LabVIEW 8X圖形系統設計之硬體界面專題製作,”高立圖書有限公司。
[27]惠汝生, “LabVIEW Express 7.1圖控程式應用,” 編著/惠汝生 全華科技圖書股份有限公司。
[28]http://www.ni.com.tw/ 美商國家儀器股份有限公司台灣分公司。
[29]Y.C Wang, M.S Wei, Y.Y Jiang, Y.H Chang, and Y.H. Fan, “Automatic measurement system using a laser scan instrument for ceramic bearings,” LFNM2006, pp.66-69, Kharkov, Ukraine, June 29-July 1, 2006.
[30]陳大芳, “手機鏤空防磁元件自動化快速檢測系統之設計分析,”私立中原大學碩士論文,2004年。
[31]鍾奇桂, “自動化精密干涉量測系統,”國立台灣科技大學碩士論文,民92。
[32]黃建元, “圖控程式運用於LED自動化檢測系統之開發,” 屏東科技大學碩士論文,民94。
[33]陳清洲, “3D光學量測之自動化定位系統,”國立台灣科技大學碩士論文,民93。
[34]GOM, ATOS Optical Measuring Machine User Manual,GOM Optical Measuring Techniques Inc., 2001。
[35]江榮富, “伺服精密定位控制之探討,” 私立中原大學碩士論文。
[36]東方馬達技術手冊。
[37] AC無刷伺服馬達驅動器使用說明書(QP0307-3)。