臺灣博碩士論文加值系統

由於線性馬達能夠直接驅動負載，不須經過種種的傳動元件，使得馬達控制系統的非線性因素減少。加上其動態響應特性佳、定位精度高、靜態剛性強與不易產生粉塵等優點，已漸漸取代由傳統式的旋轉馬達所整合而成的精密工具機。
而線性馬達的控制系統設計，由於積體電路的蓬勃發展，也使得控制系統的數位化已成為未來的趨勢。本篇論文的研究重點在於，以全數位化控制器來實現線性馬達與旋轉馬達的控制系統，並驗證分析此兩系統的異同點，加上提出一馬達系統參數自調式的方法，使得在設計控制器時，能正確的鑑別出馬達模式，再輔以實驗與模擬的對照，來證明所鑑別出來的系統與實際系統的相似度。

Linear Motors are designed for direct driving payload. They are not only able to eliminate the nonlinear effects that generally exist in transmission systems driven by rotary motors, but also possess higher dynamic response, more precise position control capability, higher static stiffness, and higher immunity from dust. They have gradually replaced the roles that rotary motors used to be in precision machinery.
Due to the prosperous developments of integrated circuit technology, a full digital controller design has become the main stream of the current market for motor control systems. This paper notices the trends, which adopts the DSP technology to implement a full digital controller for both the rotary and linear motor system, and analyses their similarities and differences. An automatic parameter tuning procedure is also proposed that includes the identification of system model and controller design for motor control feedback loops. The method is extensive verified by simulation and experiment observations, and found good feasibility for industrial applications.

目 錄
封面內頁
簽名頁
授權書‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥iii
中文摘要‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥iv
英文摘要‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥v
致謝‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥vi
目錄‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥vii
圖目錄‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥xii
表目錄‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥xvii
第一章序論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1
1.1 研究動機‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1
1.2 研究目的‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3
1.3 研究步驟‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6
1.4 系統架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6
1.5 內容大綱‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥11
第二章 直流伺服馬達的基本工作原理與架構‥‥‥‥‥‥‥12
2.1馬達的基本工作原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥12
2.2直流有刷馬達工作原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15
2.2.1直流有刷馬達伺服控制架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥19
2.3直流無刷馬達工作原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20
2.3.1直流無刷馬達伺服控制架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥24
2.4線性直流無刷馬達工作原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25
2.4.1線性直流無刷馬達伺服控制架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥31
2.5 伺服無刷旋轉馬達與線性馬達之比較‥‥‥‥‥‥‥32
2.5.1霍耳元件(Hall Effect Sensor) ‥‥‥‥‥‥‥‥33
2.5.2光學編碼器(Photo Encoder Sensor) ‥‥‥‥‥‥36
2.5.3線性與旋轉馬達的速度單位轉換‥‥‥‥‥‥‥‥‥44
第三章 馬達控制參數自調式原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥46
3.1 伺服馬達的控制參數調整‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥48
3.2 電流控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥50
3.3 扭力與磁場向量控制‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥54
3.4 速度控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥58
3.5 位置控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥60
第四章旋轉馬達之應用與實驗‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥62
4.1旋轉馬達的系統架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥62
4.2電流控制迴路參數調整‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥65
4.2.1調整電流量測的偏移量‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥65
4.2.2電流開迴路參數估測‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥67
4.2.3電流控制迴路的控制器設計‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72
4.2.4閉迴路電流控制與模擬比對‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥77
4.3向量控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥79
4.4速度控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥83
4.4.1速度開迴路參數估測‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥84
4.4.2速度控制迴路的控制器設計‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥87
4.4.3閉迴路速度控制與模擬比對‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥89
4.4.4顯示參數自調式的建議參數‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥91
4.5位置控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥92
第五章線性馬達之應用與實驗‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥96
5.1線性馬達的系統架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥96
5.2電流控制迴路參數調整‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥99
5.2.1調整電流量測的偏移量‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥99
5.2.2電流開迴路參數估測‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥100
5.2.3電流控制迴路的控制器設計‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥101
5.2.4閉迴路電流控制與模擬比對‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥102
5.3向量控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥103
5.4速度控制回路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥106
5.4.1速度開迴路參數估測‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥106
5.4.2速度控制迴路的控制器設計‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥107
5.4.3閉迴路速度控制與模擬比對‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥108
5.4.4顯示參數自調式的建議參數‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥110
5.5位置控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥111
第六章控制系統的Simulink系統模擬‥‥‥‥‥‥‥‥‥114
6.1電流控制系統的系統模擬‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥114
6.2速度控制系統的系統模擬‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥115
6.3位置控制系統的系統模擬‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥117
第七章系統穩定性與參數自調式之理論分析‥‥‥‥‥‥‥119
7.1羅斯-赫維茲穩定準則(Routh-Hurwitz Stability Criter- ion)‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥119
7.1.1系統電流控制迴路之穩定性‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥122
7.1.2系統速度控制迴路之穩定性‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥125
7.2實際參數自調式系統之理論分析‥‥‥‥‥‥‥‥‥131
7.2.1電流控制迴路之分析‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥131
7.2.2簡化速度控制迴路之分析‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥134
7.2.3速度控制迴路之分析‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥137
第八章結論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥144
參考文獻‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥146
圖 目 錄
圖1.1線性馬達直接驅動負載端之架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2
圖1.2 DSP旋轉馬達驅動系統架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8
圖1.3 DSP線性馬達驅動系統架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9
圖1.4無鐵心永磁式線性直流無刷伺服馬達與數位控制器照片．10
圖1.5永磁式直流無刷伺服旋轉馬達與數位控制器照片‥‥‥10
圖2.1弗來明的左手定則‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13
圖2.2在固定磁場中載有電流導體的磁力方向‥‥‥‥‥‥‥14
圖2.3電磁力在電磁馬達上的應用圖示‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥14
圖2.4存在於兩電磁鐵間的吸引扭力示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥17
圖2.5採用線圈產生電磁場扭力的示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥17
圖2.6直流馬達中電刷、換相器與電流之關係示意圖‥‥‥‥‥18
圖2.7直流馬達電樞線圈繞組示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18
圖2.8簡化的直流馬達符號‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18
圖2.9直流有刷馬達位置控制伺服迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20
圖2.10馬達三相線圈產生等效旋轉磁場的示意圖‥‥‥‥‥‥23
圖2.11直流無刷馬達位置控制伺服迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25
圖2.12旋轉式與線性式直流無刷馬達之結構圖‥‥‥‥‥‥‥29
圖2.13線性馬達的基本動作原理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥30
圖2.14線性直流無刷馬達位置控制伺服迴路‥‥‥‥‥‥‥‥31
圖2.15馬達位置控制迴路簡化方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥32
圖2.16霍耳元件的使用架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥34
圖2.17旋轉馬達霍耳元件所擺設的位置‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥34
圖2.18線性馬達霍耳元件所擺設的位置‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35
圖2.19電氣角度VS. UVW實際變化圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥36
圖2.20轉盤與旋轉馬達實體的連接‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥40
圖2.21光學尺與線性馬達實體的配置‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥40
圖2.22光學編碼器的硬體基本架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥41
圖2.23單相光學編碼器的輸出方波訊號‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥41
圖2.24雙頻道光學編碼器的輸出方波訊號‥‥‥‥‥‥‥‥‥42
圖2.25旋轉式光學編碼器的硬體實例‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥42
圖2.26絕對型編碼器的轉盤實體圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥43
圖2.27增量型編碼器的轉盤實體圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥43
圖2.28線性馬達磁極距離的定義‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥45
圖3.1伺服馬達控制系統方塊圖 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥48
圖3.2電流控制迴路與馬達機電架構方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥53
圖3.3開路電流轉移函數參數值求取法之示意圖‥‥‥‥‥‥53
圖3.4化簡電流控制迴路後的馬達控制方塊圖‥‥‥‥‥‥‥54
圖3.5伺服馬達的線圈簡化模型‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥57
圖3.6直流伺服馬達的電流向量控制方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥58
圖3.7速度控制迴路方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥60
圖3.8位置控制迴路方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥61
圖4.1旋轉馬達系統架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥64
圖4.2電流偏量量測的控制架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥66
圖4.3 ADC輸入偏量量測知Simulink介面方塊圖‥‥‥‥‥‥66
圖4.4電流控制迴路的開迴路示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥69
圖4.5一階轉移函數之參數估測示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70
圖4.6開路電流迴路參數估測之Simulink介面方塊圖‥‥‥‥70
圖4.7電流控制迴路的開迴路步階響應實驗圖‥‥‥‥‥‥‥71
圖4.8電流控制迴路的開迴路參數示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥71
圖4.9加入電流回授的馬達控制架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥76
圖4.10電流控制迴路的閉迴路示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥76
圖4.11閉迴路電流控制測試之Simulink介面方塊圖‥‥‥‥‥78
圖4.12電流控制迴路的閉迴路步階響應實驗圖‥‥‥‥‥‥‥78
圖4.13馬達向量控制迴路架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥81
圖4.14向量控制角度增益量測的Simulink介面方塊圖‥‥‥‥82
圖4.15旋轉馬達的電氣角度轉動增量‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥82
圖4.16加入速度回授的馬達控制架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥83
圖4.17 開路速度迴路參數估測之Simulink介面方塊圖‥‥‥86
圖4.18速度控制迴路的開迴路步階響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥86
圖4.19速度控制迴路的開迴路示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥87
圖4.20速度控制迴路的閉迴路示意圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥88
圖4.21閉迴路速度控制測試之Simulink介面方塊圖‥‥‥‥‥90
圖4.22速度閉迴路(電流迴路為1)模擬與實驗比對圖‥‥‥‥90
圖4.23速度閉迴路(電流迴路不為1)模擬與實驗比對圖‥‥‥91
圖4.24馬達的系統參數‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥92
圖4.25位置控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥93
圖4.26位置閉迴路控制測試之Simulink介面方塊圖‥‥‥‥‥94
圖4.27位置控制迴路的步階響應‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥94
圖5.1線性馬達系統架構圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥98
圖5.2 流偏移量的調整值‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥99
圖5.3電流控制迴路的開環路步階響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥100
圖5.4電流控制迴路之參數值‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥102
圖5.5電流控制迴路的閉環路步階響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥103
圖5.6線性馬達的電氣角度轉動增量‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥105
圖5.7向量角度的調整值‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥105
圖5.8速度控制迴路的開環路步階響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥106
圖5.9速度控制迴路之參數值‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥108
圖5.10速度閉環路簡化模式之模擬與實驗比對圖‥‥‥‥‥109
圖5.11速度閉環路加入電流模式之模擬與實驗比對圖‥‥‥109
圖5.12馬達的系統參數‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥110
圖5.13位置控制迴路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥112
圖5.14位置控制迴路的步階響應‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥112
圖6.1 電流控制迴路的系統模擬方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥114
圖6.2 電流控制迴路系統的模擬響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥115
圖6.3 速度控制迴路的系統模擬方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥116
圖6.4 速度控制迴路系統的模擬響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥116
圖6.5 速度控制迴路的系統模擬方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥118
圖6.6 位置控制迴路系統的模擬響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥118
圖7.1電流控制迴路數學模式方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥125
圖7.2速度控制迴路數學模式方塊圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥129
圖7.3 、 理論值與實際值之範圍‥‥‥‥‥‥‥‥‥130
圖7.4 、 理論值與實際值之細部範圍‥‥‥‥‥‥‥130
圖7.5 電流控制迴路實際數學模式‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥132
圖7.6電流控制迴路之波得圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥132
圖7.7電流控制迴路之根軌跡圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥133
圖7.8電流控制迴路之步階響應圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥133
圖7.9各頻寬比之簡化速度控制迴路的波得圖‥‥‥‥‥‥‥135
圖7.10各頻寬比之簡化速度控制迴路的主根位置變化‥‥‥136
圖7.11各頻寬比之簡化速度控制迴路的主根位置變化細部圖
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥136
圖7.12各頻寬比之簡化速度控制迴路的步階響應‥‥‥‥‥137
圖7.13未化簡之速度控制迴路的數學模式方塊圖‥‥‥‥‥139
圖7.14各頻寬比之未化簡速度控制迴路的波得圖‥‥‥‥‥140
圖7.15各頻寬比之未化簡速度控制迴路的根軌跡‥‥‥‥‥140
圖7.16各頻寬比之未化簡速度控制迴路的步階響應圖‥‥‥141
圖7.17各頻寬比之未化簡速度控制迴路的細部步階響應圖‥141
表 目 錄
表 2.1電氣角度VS. UVW變化表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35
表4.1旋轉馬達系統的材料表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥64
表4.2 統參數型態數值轉換表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72
表4.3全數位化旋轉馬達控制參數整理表‥‥‥‥‥‥‥‥‥95
表5.1線性馬達系統的材料表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥98
表5.2全數位化線性馬達控制參數整理表‥‥‥‥‥‥‥‥‥113
表7.1羅斯表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥120
表7.2電流控制迴路之羅斯表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥123
表7.3速度控制迴路之羅斯表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥127
表7.4速度控制迴路的系統參數值‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥135
表7.5系統化簡與未化簡的各個頻寬比之參數、主根位置、誤差表
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥142
表7.6頻寬與damping誤差表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥143

參考文獻
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