定位平台

圖 5-1 為定位平台實體圖，圖 5-2 為定位平台側邊定子支撐架實體圖。

圖 5-1 管型線性馬達定位平台實體圖

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-圖 5-2 管型線性馬達定位平台側邊定子支撐架實體-圖 5.1.2 控制器的介面

本實驗主要是利用控制程式，將所計算出的控制量透過 DA 卡送出給驅 動器推動其相對應之管型線性馬達，然後由光學尺讀取平台位移訊號，再經 由 AD 卡回授至滑動觀測適應控制器計算下一時間的控制量，其電腦與控制 系統規格為表 5-1。

表 5-1 電腦與控制系統規格表

CPU Pentium IV 2.4GHz

RAM 1GB

Operating System Windows XP

Language Labview2010

AD/DA card NI PXI-6289(16bits)

其中本研究選用之 AD/DA 轉換卡為美商國家儀器(National Instruments) 之 NI PXI-6289 如圖 5-3 所示，此卡為高精確度多功能資料擷取卡(DAQ)，

適用於 16 位元解析度的類比輸入通道。此解析度相當於 DC 量測的 5 位 半解析度。為確保準確度，本身具有最佳化的 NI-PGIA 2 放大器技術，可得 到高線性度、可迅速調整至 16 位元解析度，並具有拒絕高頻雜訊的可程式 化低通濾波器，以防止訊號失真。高精確度的介面卡，具有類比輸出通道的 可程式化位移和參考記錄，可在任何訊號上獲得最高 16 位元解析度。高準 確度的 多功能 DAQ 資料擷取卡，適用於如裝置測試和特性分析的應用，

還有需要精準儀器等級準確度的感測器和訊號量測應用，此訊號擷取卡相當 適合於本實驗之快速及精確需求。

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-圖 5-3 NI PXI-6289 資料截取卡

本研究的控制器程式與軟體架構選用美商國家儀器出品的(National Instruments ) 公 司 出 品 的 Labview2010(Laboratory virtual instrument engineering workbench)作為撰寫控制程式的工具。LabVIEW 為圖形化程式 語言又可稱之為 G 語言，指令多為看見圖形便知道其用途，較其它一般的 電腦語言容易著手學習。還具有強而有力的資料擷取、資料分析與結果呈 現。除此之外，LabVIEW 更提供量測後的數學分析與顯示功能，本研究設 計了兩種控制器分別為 PID 控制器、滑動觀測適應控制器、適應模糊控制 器，本實驗之控制介面可由圖 5-4 至圖 5-9。

圖 5-4 PID 控制系統介面圖

圖 5-5 PID 控制程式架構圖

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-圖 5-6 滑動觀測適應控制系統介面-圖

圖 5-7 滑動觀測適應控制系統架構圖

圖 5-8 適應模糊器控制系統介面圖

圖 5-9 適應模糊控制器控制系統架構圖

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-5.1.3 感測器與驅動器

感測器選用是線性增量式精密位移光學尺，作用距離量測感應器。本研 究採用的是 Renishaw 型號 RGH-24-Y 的光學尺如圖 5-10 所示，這型感測器 主要是有下列幾項特點與考量：

1.超小型讀數頭內部插值提供了行業標準數字和模擬輸出。

2.非接觸式設計，提供高速可靠的運行速度和零摩擦磨損。

3.積分設置的 LED 可以輕鬆安裝讀數頭。

4.具有穩定出色的信號濾波光學編碼器。

5.參考零點提供可重複的起始位置。

驅動器實體圖如圖 5-11 所示。

圖 5-10RGH-24-Y 線性增量式光學尺

圖 5-11 ACP-090-09 驅動器

5.2PID 控制器實驗結果

5.2.1 定點控制

此實驗主要目的為測試平台之定位性能，若設計之 PID 控制器無法 得到良好的響應，則往後的追蹤控制也無法得到好的結果。圖 5-12 為 定點控制響應圖，圖 5-13 為定點控制輸入響應圖。

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-圖 5-12 定點控制響應-圖(PID)

圖 5-13 定點控制輸入響應圖(PID)

5.2.2 正弦波控制

正弦波運動控制實驗為測試平台之追蹤性能，實驗條件為振福 20mm、頻率為 0.05Hz，圖 5-11 為正弦波控制測試展示。

圖 5-14 正弦波控制響應圖(PID)

圖 5-15 正弦波控制輸入響應圖(PID)

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-5.3 滑動觀測適應控制器實驗結果

5.3.1 定點控制

此實驗之主要目的為測試平台之定位性能，且為了往後的追蹤控 制實驗做準備，若本研究所設計的滑動觀測適應控制器對摩擦力沒有較 佳的補償效果，影響系統的定位性能，也會因此無法得良好的追蹤效能 表現。圖 5-16 為定點控制響應圖，圖 5-17 為定點控制輸入響應圖。

圖 5-16 定點控制響應圖(滑動觀測適應控制器)

圖 5-17 定點控制輸入響應圖(滑動觀測適應控制器)

5.3.2 正弦波控制

正弦波運動控制實驗為測試平台追蹤性能以及平台運動平順度，

實驗條件為振幅 20mm、運動頻率為 0.01Hz。圖 5-18 為正弦波控制響 應圖，圖 5-19 為正弦波控制輸入響應圖。

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-圖 5-18 正弦波控制響應-圖(滑動觀測適應控制器)

圖 5-19 正弦波控制輸入響應圖(滑動觀測適應控制器)

5.4 適應模糊控制器實驗結果

5.4.1 定點控制

此實驗之主要目的為測試平台之定位性能，且為往後的追蹤控制 實驗做準備，若所設計的適應模糊控制器無法在此實驗中有好的響應表 現時，則追蹤控制也無法得到好結果。圖 5-20 為定點控制響應圖，圖 5-21 為定點控制輸入響應圖。

圖 5-20 定點控制響應圖(適應模糊控制器)

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-圖 5-21 定點控制輸入響應-圖(適應模糊控制器)

5.4.2 正弦波控制

正弦波運動控制實驗室為測試平台追蹤性能及運動平順度，實驗 條件為振幅 20mm、運動頻率為 0.01Hz。圖 5-22 為正弦波控制響應圖，

圖 5-23 為正弦波控制輸入響應圖。

圖 5-22 正弦波控制響應圖(適應模糊控制器)

圖 5-23 正弦波控制輸入響應圖(適應模糊控制器)

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-5.5 實驗結果總結

經過上述各種控制器PID 控制器、滑動觀測適應控制器、適應模糊器

與各種實驗結果定點控制、正弦波控制，可以得知本研究所設計的控制器 皆能達到良好之效果。在摩擦力補償方面，滑動觀測適應控制器與適應模糊 控制器皆優於 PID 控制器，將這三種控制器之評比整理在表 5-2，針對三種 控制器其響應時間、追蹤性能、摩擦力補償效果、參數調整時間進行比較。

表 5-2 控制器效果之比較

PID 控制器 滑動觀測適應控 制器

適應模糊控制器

響應時間 佳 佳 佳

追蹤性能 差 最佳 較佳

摩擦力補償 差 最佳 較佳

參數調整時間 最佳 略低 較佳

第六章 結論與未來展望

本研究設計與實現高精度之定位平台，此平台提供單自由度的運動控 制。我們針對傳動機構中的線性滑軌所受之摩擦力進行分析，主要利用動 態摩擦力模型LuGre friction model來計算摩擦力，或是透過滑動觀測器

Sliding-mode observer來估測摩擦力。

在摩擦力補償設計方面，本論文主要為兩種方式，第一種是利用路易 摩擦力模型LuGre friction model先做前饋補償，然後再透過 PID 控制器閉 迴路控制或由適應模糊控制器再進行補償。另一種則是透過滑動觀測器

Sliding-mode observer結合路易摩擦力模型LuGre friction model搭配適 應控制器之設計來達到消除摩擦力對系統造成的影醒。本實驗主要是先以 Matlab 做模擬分析，然後用 Labview 做實驗，根據模擬與實驗結果，確實 證明經過所設計之補償器補償後之定位平台，具有良好的定位及追蹤性 能。

本研究未來希望能將定位精度提升至奈米等級，因此在摩擦力分析及 控制器上需加以探討，在摩擦力分析方面，雖然路易摩擦力模型LuGre friction model能大部分描述出摩擦力靜態及動態之行為，但還是有無法表 達之地方，因此尋找改善路易摩擦力模型LuGre friction model或進而設計 出新的摩擦力模型是未來研究的課題之一。而在控制器上，由於摩擦力屬 於非線性之現象，未來將參考更多與非線性控制相關之控制器與摩擦力模 型做搭配，進而找到最佳之摩擦力補償器組合，這些都是未來後續發展之 要點。

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參 考 文 獻

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