定位平台

經由章節 3.4 所提出的概念將平台結構設計完成後，將設計完成之平台 組合圖轉成工程圖面，交由加工廠商做機械加工，由於我們的定位平台為大 行程，且在厚度較薄，因此在加工上需維持其平行度，其精度須保持 0.05mm 誤差，否則將在往後平台在運行中，影響其平台定位精度；導致光學讀頭讀 訊號不穩，為了使平台達到輕量且高強度等條件，則選用鋁合金作為運動平 台材質，加工後如圖 6.1 所示。

在其餘零件部分，因為平台整體結構相互之間有很大的關係，所以需考 慮配合面之製造精度及表面粗糙度(Surface Roughness)，在側邊支撐價也相 當重要，由於定子部分與動子式呈現懸空狀態，因次必須要不斷的調校使得 定子能保持中心，經由一般機械加工處理，最後整體平台加工費用並不昂 貴，符合研究開端之架構簡易造價低廉之條件。組裝結果外觀如圖 6-1 所 示，圖 6-2 為側邊支撐架調整機構。

圖 6.1 管型線性平台外部組裝圖

圖 6.2 管型線性平台側邊夾持機構

6.1.2 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類音圈馬達致動器，然後由感測器讀取平台位移，再經 由 AD 卡回授至 PID 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 6-1。

表 6-1 電腦與控制系統規格表

CPU PentiumIV 2.4GHz

RAM 1GB

Operating System Windows XP

Language LabVIEW7.1

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 圖 6-3，此卡為最佳化的高精確度多功能資料擷取卡(DAQ)，

適用於 18 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 18 位元解析度，並具有拒絕高頻雜訊的可程式 化低通濾波器，以防止圖形失真。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 M 系列多功能 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。

圖 6-3 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 LabVIEW7.0(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)作為撰寫控制程式的工具。LabVIEW 它是一種圖形 化程式語言又可稱之為 G 語言，即它的指令多數是看見圖形便大概知道其 用途，也因為如此，它較一般其它的語言容易著手學習。不單單是如此，

LabVIEW 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，本研究之控制介面及程式 可見圖 6-4~圖 6-7。

圖 6-4 PID 控制系統介面圖

圖 6-5 PID 控制系統架構圖

圖 6-6 適應滑差模型控制系統介面圖

圖 6-7 適應滑差模型控制系統架構圖

6.1.3 感測器

感測器選用是線性增量式精密位移感測器，作用距離量測感應器，其原 理設計在章節 3.3 介紹。本研究採用的是 RENISHAW 編號 RGH24Y 的增 量感測器如圖 6-8 所示，選用這型感測器主要是有下列幾項特點與考量：

1.具有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.為非接觸式設計，提供高速、可靠的運行與零摩擦磨損。

4.具有穩定出色的信號濾波光學編碼器。

5.參考標記提供了一個可重複的起始位置，而提供的極限軸行程結束的 跡象。

6.可有許多連接選項，包括一個 10 路 JST 連接器進行簡單的整合。

圖 6-8 RGH 線性增量型感測器

6.2 PID 實驗結果

6.2.1 步階響應

此實驗主要是測試平台的定點控制，藉由調整控制器的參數值，來使定 位追蹤更佳，在單向定點控制，由零點開始作動 20 mm，如圖 6-9 為平台作 動的實驗結果。

圖 6-9 平台步階響應圖

圖 6-10 平台定位誤差

圖 6-11 步階響應的控制量 u

6.2.2 弦波響應

此實驗主要是測試在連續做動中，平台的穩定性與平順性，在實驗參數 上，作動頻率 0.05 Hz、振幅為 20 mm，其運型方向為在零點做反覆運動，

如圖 6-12 為弦波響應的實驗圖。

圖 6-12 平台弦波響應圖

圖 6-13 平台定位誤差

圖 6-14 弦波響應的控制量 u

6.2.3 方波響應

此實驗主要是測試平台的重複之性能，為連續之定點運動，在實驗參數 上，作動頻率 0.03Hz，振幅為 10mm，其運型方向為零點做反覆運動，如圖 6-15 為方波響應圖

圖 6-15 平台方波響應圖

圖 6-16 平台定位誤差

圖 6-17 方波響應的控制量 u

6.3 適應滑差模型控制器實驗結果

6.3.1 步階響應

此實驗主要是測試平台的定點控制，藉由調整控制器的參數值，來使定 位追蹤更佳，在單向定點控制，由零點開始作動 20 mm，如圖 6-18 為平台 作動的響應圖。

圖 6-18 平台步階響應

圖 6-19 平台定位誤差

圖 6-20 步階響應的控制量 u

6.3.2 弦波響應

此實驗主要是測試在連續做動中，平台的穩定性與平順性，在實驗參數 上，作動頻率 0.05 Hz、振幅為 20 mm，其運型方向為在零點做反覆運動，

如圖 6-21 為弦波響應的實驗圖。

圖 6-21 平台弦波響應

圖 6-22 平台定位誤差

圖 6-23 弦波響應的控制量 u 6.2.3 方波響應

此實驗主要是測試平台的重複之性能，為連續之定點運動，在實驗 參數上，作動頻率 0.01Hz，振幅為 10mm，其運型方向為零點做反覆運動，

如圖 6-24 為方波響應圖

圖 6-24 平台方波響應

圖 6-25 平台定位誤差

圖 6-26 方波響應的控制量 u

6.4 平台實際推力圖

此實驗主要目的，當平台做連續動作時所產生的實際推力，由推力圖可 以得知，在平台實際作動時，因磁極相位的變化在峰值得地方會有擾動的產 生，如下圖 6-27 所示

圖 6-27 平台實際推力圖

由圖 5-27 可以得知，平台在運行中由於摩擦力、與漣波力等影響，因 此馬達為了克服這些影響，在馬達供應電流上相對提升，依推力模擬結果，

可以得知推力與電流為線性正比的變化，不過平台實際推力並非呈線性，如 圖 6-28 所示，為實際馬達的推力與電流變化圖。

圖 6-28 平台推力與電流關係圖

6.5 綜合討論

經由實驗結果以 PID 控制器與適應滑差模型控制器來對定位平台做追蹤 控制，並由實驗結果(步階響應、弦波響應與方波響應)可得到良好的追蹤效 果，並且對彼此間做對比，表 6-2 為控制器的比較表，可以得知適應滑差模 型控制器具有更快速的收斂時間與更佳的收斂效果，藉由推力分析，可以得 知實際推力與理想推力之間的差異，可以得到因本身機械結構產生的干擾。

在模擬部分上，我們藉由估測器來對系統模型做估測，由此可知我們所推導 的系統具有可觀測性與可控制性。

表 6-2 控制器的比較表

PID 控制器 適應滑動模型控制器

響應時間 佳 佳

追蹤性能 佳 佳

連續運動追蹤性能 略低 佳

外部干擾的影響 略低 佳

訊號的抑制效果 略低 佳

實驗參數調整之時間 佳 略低

第七章 結論與未來展望

本研究設計與實現長行程的運動平台，其運動路徑具有 210 mm，並 以簡單的架構、硬體需求不高，達到良好的追蹤控制。在平台架構上我們 主要探討分為三個部分，分別為機構設計、管型線性馬達的推力分析與量 測定位系統。在平台運行上，主要為單一軸向運動，藉由外接感測器來對 位置做量測，並且將量測資料傳送擷取卡以使平台達到目標位置。

在控制器方面主要是使用 PID 控制器與適應滑動模型控制器為主要 架構，搭配庫倫摩擦力模型做補償，由於光學尺讀取的量測資料，送入所 編寫控制器做處理運算，以使系統達到目標位置。在使用軟體方面，本實 驗主要是以 Matlab 做模擬分析、Labview 軟體做實驗分析，依模擬與實驗 結果，此平台具有良好的定位性能與追蹤性能，確實證明能夠符合當初設 計需求。

在力的分析上，由於本平台傳動機構為線性滑軌，使得在平台運行具 有摩擦力，加上管型線性馬達本身具有漣波力的影響，因此影響到追蹤的 性能。由模擬與實驗結果可以得知，由模擬結果可以得知為線性正比，但 在實驗結果上為非線性變化，因此未來必須使用更多不同種類的摩擦力模 型，來使平台有更好的追蹤性能。

本研究未來將朝向奈米級的控制精度，因此在機構上、控制器上需加 以探討，在機構方面主要改善線性滑軌的精度，在市面上找精密度更好的 滑軌，並且提升底台的平行度，來使平台運行更加順暢。在控制器上，未 來將參考模糊理論、適應控制來對系統做定位控制，藉由現代控制的理 論，來提升系統的精密度，以達到高精密長行程的運動平台。

參 考 文 獻

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