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研究生:陳威年
研究生(外文):Wei-nian Chen
論文名稱:開關式電磁線圈自我位移感測定位研究
論文名稱(外文):Research on position control of switching solenoids with self-displacement sensing
指導教授:吳尚德
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:線性致動器位移感測器開關式電磁線圈自我感測
外文關鍵詞:linear actuatorsdisplacement sensorsself-sensingon-off solenoids
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本論文的目的是要將一般開關式電磁線圈,轉換為具有位移感測功能的致動器,利用自我感測電路設計,使其具有準確定位的功能。
論文首先找出線圈在輸入不同頻率交流訊號之下,鐵心在不同位置其線圈內電感的變化趨勢。得知在低頻時的顯著變化會與鐵心的距離遠近成反比,利用共振特性,在線圈外串接電容器而形成共振電路。接著測試線圈在串接不同大小的電容器以及改變輸入激磁訊號大小的頻率響應。由測試結果發現,輸入電路的共振頻率及固定激磁訊號的大小,可找出鐵心在不同位置上,其相位差的變化趨勢。
論文中使用兩種方式來計算相位差,一為擷取輸入與輸出訊號的電壓,利用餘弦定理求出相位差,另一則是使用單晶片的Capture模組,配合訊號處理電路的設計來計算相位差,並建立出鐵心位置與相位差的關係曲線,即可利用此關係以內插法估算鐵心位置。比較相位差的計算時間長短與鐵心位置的估算精度,本研究選擇以單晶片為核心而設計製作的即時位移感測電路做為計算相位差的主要方式。
論文最後以單晶片微電腦做為控制核心,配合實驗結果設計驅動電路,建構出閉迴路控制系統。控制行程最大為1.5mm,控制結果各行程皆可達到目標位置,穩態誤差在0.03mm以內。

關鍵字:開關式電磁線圈、自我感測、線性致動器、位移感測器。
The purpose of this thesis is to convert an on-off solenoid valve into a proportional valve via self displacement sensing. Accurate position control will be achieved without adding an external displacement sensor.
Exploiting the fact that the coil inductance varies with iron-core position, we apply a sinusoidal signal to the solenoid coil. A capacitor is connected to the coil to form an LC resonant circuit. It is found that if the frequency of the excitation signal is near the resonant frequency of the LC circuit, the core position can be estimated by observing the phase difference between the input and output signals. Two different methods are used for phase detections. The first one employs the Cosine law, and the second utilizes the capture function of a 16-bit microcontroller. The phase angles corresponding to a discrete set of core positions are first established. The iron-core displacement is then detectable by interpolating on these measured data.
Finally, a closed-loop control system is constructed using the 16-bit microcontroller. Real-time testing indicates that a positioning accuracy of 0.03 mm can be achieved over a stroke of 1.5 mm.

Keywords: on-off solenoids, self-sensing, linear actuators, displacement sensors
中文摘要 ----------------------------------------------------------------------------- i
英文摘要 ----------------------------------------------------------------------------- ii
誌謝 ----------------------------------------------------------------------------- iii
目錄 ----------------------------------------------------------------------------- iv
表目錄 ----------------------------------------------------------------------------- vi
圖目錄 ----------------------------------------------------------------------------- vii
一、 緒論----------------------------------------------------------------------- 1
1.1 研究動機與目的-------------------------------------------------------- 1
1.2 研究內容與方法-------------------------------------------------------- 1
1.3 文獻回顧----------------------------------------------------------------- 3
1.4 論文大綱----------------------------------------------------------------- 4
二、 電磁線圈特性分析與量測-------------------------------------------- 5
2.1 電磁線圈外觀----------------------------------------------------------- 5
2.2 位移感測與致動原理-------------------------------------------------- 6
2.3 實驗平台----------------------------------------------------------------- 7
2.3.1 手動量測平台----------------------------------------------------------- 7
2.3.2 自動量測平台----------------------------------------------------------- 9
2.4 線圈電氣參數量測----------------------------------------------------- 10
2.5 位移感測器共振電路分析-------------------------------------------- 11
2.6 致動器推力量測-------------------------------------------------------- 12
2.7 線圈特性結果討論----------------------------------------------------- 16
三、 電磁線圈做為位移感測器之電路分析、模擬與實測------------ 17
3.1 位移感測器電路設計與實驗架構----------------------------------- 17
3.2 電磁線圈之簡化模型-------------------------------------------------- 18
3.3 位移感測器之頻率響應實測----------------------------------------- 20
3.4 電磁線圈之修正模型-------------------------------------------------- 21
3.5 改變電容大小----------------------------------------------------------- 23
3.6 改變輸入訊號大小----------------------------------------------------- 25
3.6.1 輸入訊號為0.5V-------------------------------------------------------- 25
3.6.2 輸入訊號為2V---------------------------------------------------------- 26
3.7 位移感測器頻率響應測試結果討論-------------------------------- 28
四、 位移感測靜態測試----------------------------------------------------- 29
4.1 PC示波器之位移量測系統架構------------------------------------- 29
4.2 相位差與鐵心位置關係建立----------------------------------------- 32
4.3 位置誤差與重現性實測----------------------------------------------- 34
4.4 位置誤差與重現性實測結果討論----------------------------------- 35
五、 即時位移感測電路製作與測試-------------------------------------- 36
5.1 即時位移感測電路架構----------------------------------------------- 36
5.2 弦波轉方波電路-------------------------------------------------------- 37
5.3 位移感測架構----------------------------------------------------------- 38
5.4 相位差與鐵心位置關係建立----------------------------------------- 39
5.5 位置誤差實測與結果討論-------------------------------------------- 40
六、 驅動電路設計與閉迴路控制----------------------------------------- 42
6.1 電路架構----------------------------------------------------------------- 42
6.2 驅動電路設計----------------------------------------------------------- 43
6.3 控制系統架構----------------------------------------------------------- 45
6.4 控制器設計-------------------------------------------------------------- 46
6.5 閉迴路控制結果-------------------------------------------------------- 47
6.5.1 固定時間步階輸入控制結果----------------------------------------- 47
6.5.2 目標位置隨時間變動之步階輸入控制結果----------------------- 51
6.5.3 位置追蹤控制結果----------------------------------------------------- 53
6.6 閉迴路控制結果討論-------------------------------------------------- 63
七、 結論與未來展望-------------------------------------------------------- 64
7.1 結論----------------------------------------------------------------------- 64
7.2 未來展望----------------------------------------------------------------- 66
參考文獻 ----------------------------------------------------------------------------- 67
自傳 ----------------------------------------------------------------------------- 68
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