第一章 緒論
1.2 文獻回顧
在這幾年高精密度定位平台控制技術的相關研究中，由於工業科技產業 的需求與期待，系統定位精密度的等級，日漸提高且越來越精密，定位精密 度等級已從微米等級晉升至更精確細微的奈米等級，因此對於線性馬達控制 精度的要求將是越來越高，如下為眾多學者對於線性馬達之精密控制研究的 相關文獻與研究探討。
Kok Kiong Tan, Tong Heng Lee, Hui Fang Dou, Shok Jun Chin, and Shao Zhao 等學者[1]，在高精密管型線性馬達之控制器設計中，配置了干擾估測 器與對於 PWM 放大器做頻率濾波改善，研究管型線性馬達之運動速度與漣 波推力的關係，分析估測管型線性馬達系統中的漣波效應（Ripple effect），
並對干擾管型線性馬達的漣波力做即時的回授補償，增加動態系統的正弦波 軌跡追蹤精度（105sin(t) mm、0.2Hz），並降低追跡誤差至 5μm。
圖 1-2 管性線性馬達設備圖 圖 1-3 漣波效應與馬達速度關係圖
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Runzi Cao and Kay-Soon Low 等學者[2]，利用管型線性馬達定位平台，
如下圖 1-4 所示，來做精密定位軌跡追蹤控制，並提出新型 Repetitive Model Predictive Control （RMPC）控制器，如圖 1-5 所示，即將傳統 Model Predictive Control（MPC）控制器中的前饋控制轉換成重覆型前饋回授，降低軌跡追蹤 誤差，如圖 1-6、1-7 所示，並且提升系統對抗負載效應（Load effect）的強 健性與穩定度。
圖 1-4 管型線性馬達設備圖 圖 1-5 RMPC 與系統控制方塊圖
圖 1-6 負載效應之追蹤誤差 圖 1-7 負載效應之追蹤誤差（RMS）
Cheng-Chung Sung and Yi-Sheng Huang 等學者[3]，在系統控制器的設計 中，提出直接推力控制器（DTC）來操作永磁同步線性馬達，其控制器之設 計概念為利用線性馬達內部電流控制迴路中的兩大關鍵訊號：推力訊號
（Thrust）與磁鍊訊號（Flux linkage）來直接驅動線性馬達，由於此兩項訊 號需要經過電壓向量交換表（Switch Table）的切換與調變，然後經過逆變
器（Inverter）轉換成電流訊號送入動力線驅動線性馬達，並同步估測兩大訊 號狀態，回授至電壓向量交換表進行修正，如圖 1-8 示，而系統控制方塊圖，
如圖 1-9 示，由於控制訊號直接驅動馬達電流訊號產生推力，所以電磁交鍊，
如圖 1-10 示，訊號的完整性將是此控制器的關鍵，電壓向量法設計的越完 善，切換的訊號將越精準，則線性馬達的控制效能也將越精確，此種控制器 產生的推力演算法，將比其他控制器來的更直接。
圖 1-8 電壓向量交換表
圖 1-9 系統控制方塊圖 圖 1-10 D-Q 軸磁交鍊訊號關係圖 Zuo Zong Liu, Fang Lin Luo, and M. Azizur Rahman 等學者[4]，將 X-Y 雙 軸線性馬達定位平台，如圖 1-11 示，應用在半導體製程中做為金屬打線機 的移動平台，由於金屬打線機所需要的精度等級為數十微米級，且打線機的 工作速度需要有相當快速的定位響應，所以這篇文獻中，利用H- based precision motion control 原理，如圖 1-12 示，設計系統動態控制器，以滿足 需要高精密度且快速定位的打線機，達到半導體晶片內部之金屬打線所需的
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精密規格，此文獻中，線性馬達能達到之最大定位加速度為5.2g (g9.8m/s2)， 定位精度控制在為3μm 以內，圖 1-13 為整體控制系統方塊圖。
圖 1-11 X-Y 雙軸線性馬達定位平台 圖 1-12 基於H之速度控制迴路
圖 1-13 金屬打線機控制系統方塊圖
Si-Lu Chen, Kok Kiong Tan, Sunan Huang and Chek Sing Teo 等學者[5]，
提出了一種利用頻率響應原理，估測非線性干擾模型並利用此模型對於系統 做回授補償的控制法，去提升系統控制器補償的能力，在實驗過程中，將線 性馬達的速度控制迴路，設定為等速度運動，如圖 1-14 示，然後在馬達驅 動期間使用了 Hysteretic relay 元件，如圖 1-15 示，去辨識漣波效應的頻譜分 析與得到 Limit cycles 的頻率，如圖 1-16 示，做為非線性干擾模型參數的設
定標準與調整，目的為估測建立出符合真實情況的非線性干擾，讓我們可以 有效的補償，提升系統的控制效能與精度。
圖 1-14 馬達等速度控制 圖 1-15 Hysteretic relay 功能函數圖形
圖 1-16 頻譜分析與得到 Limit cycles 的頻率
Faa-Jeng Lin,Kuo-Kai Shyu,Chih-Hong Lin 等學者[6]，提出了一個切換控 制法，於線性馬達的定位控制中，有兩種切換模式：變速度控制模式與位置 控制模式，如圖 1-17 所示，在執行定位控制時，首先執行變速度控制模式，
監控馬達驅動過程之運動速度，在速度控制迴路中，設定了三個速度滑差模 型控制器，分別執行等加速度、等速度及等減速度運動，如圖 1-18 示，藉 由時間點的設定出速度切換點，結束變速度控制模式，然後系統再切換成位 置控制模式，由光學尺回授定位誤差做為致動訊號，修正補償定位效果，使 定位誤差趨近於零，完成高精密度定位控制。此文獻提出的切換控制可以有
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效地降低線性馬達直接驅動時，暫態響應不理想與超越量太大的缺點，如圖 1-19 示，改善系統暫態效能等同於加快速度響應與保護機械結構損壞，同時 可以使定位控制精密度上升。
圖 1-17 切換控制系統方塊圖 圖 1-18 馬達速度變換曲線
圖 1-19 (a).5mm 步階定位響應圖 (b).步階定位控制之速度變化圖 Faa-Jeng Lin and Po-Hung Shen 等學者[7]，設計一個強健型類神經滑差 模型控制器，如圖 1-20 所示，對 X-Y 定位平台之雙軸線性馬達做二軸同動 之追蹤軌跡定位控制，如圖 1-21 所示，當二軸線性馬達相互運動時，軸與 軸之間的動態響應會相互產生耦合性的動態干擾，而此種干擾誤差會嚴重的 影響定位與軌跡追蹤精度，所以利用類神經控制器之學習功能與誤差成本函 數之建立，可即時的對於系統控制參數做調整與修正，期待達到誤差成本函 數收斂至零的理想條件，而類神經控制器的設計概念為，模仿人類神經細胞 中，如圖 1-22 示，大腦神經元的學習記憶功能與判別分類功能，然後產生 經驗法則，讓系統對抗外界變化的應變能力，更加快速且更為有效率。
圖 1-20 強健型類神經滑模控制器 圖 1-21 二軸線性馬達追蹤軌跡控制
圖 1-22 (a).人類腦神經構造圖 (b).仿生工程之腦神經模型 Zamberi Jamaludin, Hendrik Van Brussel, and Jan Swevers 等學者[8]，提出 了數學摩擦力前饋補償模型（Friction model based feed forward）與逆推模型 干擾估測器（Inverse model based disturbance observer），如圖 1-23 所示，對 於三軸同動之線性馬達 X-Y 定位平台，如圖 1-24 所示，做回授控制補償，
摩擦力是線性馬達運動中最大的誤差干擾來源，因為摩擦力會隨著負載重量 與運動速度而改變，屬於非線性的干擾推力，因此摩擦力模型之優劣，對於 系統之控制效能必定有所影響，所以同時利用逆推模型干擾估測器觀測系統 參數的變異情況，目標為建立完整的摩擦力模型，取得適當的補償控制，減 少過度補償的情況。
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圖 1-23 摩擦力前饋補償模型與逆推模型干擾估測器之控制方塊圖
圖 1-24 三軸同動線性馬達之 X-Y 定位平台
以上為本研究之相關文獻回顧概述，本研究也將以上述各篇論文為論述 參考與實驗基礎，希望能擷取其各家學者之長處，修改自己的短處與缺失，
精進改善自我研究之方法與成效，但願站在巨人的肩膀上，能啟發出更創新 之想法與實踐出有價值的研究成果。