前言
電動機驅動器及其相關控制，簡稱電機控制，為工業產品的核心技術之一，
世界各國消耗在電動機及驅動系統的電量，約佔總發電量的一半。因此，如何設 計及製造高密度、高效率、壽命長、價格低廉的電動機驅動系統是人類追尋的目 標。國內相關大學院校，近幾年來在國科會、教育部及經濟部等各單位的補助下，
在電動機及驅動器的相關研究，不僅研究人口增加，研發能量亦已累積至相當的 能量。然而，這些研究，大多是聚焦在工業界使用量最大之旋轉型三相感應機驅 動系統及永磁同步電動機(亦稱無刷電動機)系統的設計及研製。反之，目前先進 國家如美、日、德等國，在交流電動機及其驅動的研究，涵蓋較廣，包括：感應 電動機驅動、永磁同步電動機驅動，以及開關式磁阻電動機驅動三個主題，其中 各式先進電動機驅動電路與控制系統之設計為主要研究方向。
開關式磁阻電動機驅動系統，在國外方面，已有相當良好的研究成果，如：
惠 普 公 司 開 發 專 用 IC ， 供 開 關 式 磁 阻 電 動 機 驅 動 電 路 使 用 ， National Semiconductor 發展 16 位元的高性能微電腦開關式磁阻電動機驅動器。Tridela 公司，將開關式磁阻電動機應用在多功能的地板清潔與整理機。Emerson 公司 發展開關式磁阻電動機洗衣機，不需變速設備而大幅降低成本。福特公司將開關 式磁阻電動機應用在汽車的動力方向盤。AMC 與其夥伴日本電氣精機公司及美 國西屋公司研發開關式磁阻電動機牽引車，此外，美國軍方將開關式磁阻電動機 應用在噴射機的噴由泵上，用以啟動噴射機引擎。由上述例子，可以預測未來開 關式磁阻電動機，將被大量地使用在民生及航太工業上。為了因應未來電動機發 展趨勢及提昇我國電機控制相關產業的水準，並進一步將開關式磁阻電動機及其 驅動技術應用在工業界及家庭生活中，必須儘早培育相關的電動機驅動系統的設 計、製作人才，以建立自主技術，厚植研發能力，並進一步將研發成果推廣至工 業界。
其次，傳統上一般均以旋轉式電動機透過齒輪、皮帶及滾珠螺桿等傳動機 構，方能將旋轉運動轉換為直線運動，而間接傳動的方式對於要求高速化、精密 化、經濟化的今天已不敷使用。由於線型電機天生具有直接驅動的特色，可以直
接設計為 3-D 直線型運動方式，對於傳動機構而言，可以大大簡化機械之複雜 度，並且可以提昇工具機之運作精確度。隨著產業科技的進步及環保意識的高 漲，線性電動機以其具有低噪音、線型運動及受力點平均的特點，使得在各種需 求精密及較大出力的應用場合上有越來越多的趨勢。因此，線性電動機被認為是 二十一世紀的主流電機，與開關式磁阻電動機同樣被認定為兩大明日之星。線性 電動機大致上可分為四類，即線型感應電動機(Linear Induction Motor，LIM)，
線型同步電動機(Linear Synchronous Motor，LSM)，線型超音波電動機(Linear Ultrasonic Motor，LUSM)與線型直流電動機(Linear DC Motor，LDM)。一般而 言，線性電動機的主要優點如下：1.不需要複雜的直線運動變換機制，因此配件 減少，構造簡單，故障率低。2.可選擇可動子與定子伸展的長度，較不受空間限 制，機械設計自由度高，位置與位移檢出方式可選擇種類比較多。3.可動子與定 子能個別製作，特別是可動線圈型線性電動機的性能不受裝配精度影響，組裝容 易。能夠以簡單機械與低廉成本達到長距離移動的目的。線性電動機也有其缺 點，主要有二：1.可動子與定子要維持固定氣隙不容易，而且受到可動子與定子 之間作用力相互影響，增加支撐機構設計製作困難。2.受到移動範圍限制，有終 端效應影響，需要較多的感測器及控制技術。上述缺點均賴先進之電動機驅動電 路與相關控制系統設計加以克服。
另一方面，在自動化倉儲、運送管理系統、自動化彈性生產系統、CNC 工 作母機[1-3]等等之應用，其運送重量與加速等特性，都必須仰賴控制精度為微米 之精密運動控制系統設計。除此之外，高速定位之 X-Y 軸工作平台，在半導體 製程中之晶片運送機、曝光機、wire bonder、檢測機，雷射或水切割機，自動 聚焦機，自動縫紉機，電梯等等亦需要精密運動控制系統之設計。以一般 CNC 機器為例，CNC 機器可以被區分為二種部份：一部份為具有伺服驅動器的機械 結構，另一部份為控制多軸機械運動之控制器。大致上，CNC 機器是由 X-Y 平 台和 Z 軸所構成的機械運動裝置；每一軸都是由一個獨立的致動器所驅動，像 是直流電動機或是交流電動機。這種架構通常產生了一些問題，例如：無法數學 化的動態模形，交叉耦合干擾，難以測量的摩擦力參數和各軸的負載轉矩干擾…
等；通常這些因素會嚴重的降低機械加工的品質。為了改善機械加工時之工程品 質，許多專門改善控制效能的驅動控制系統研究被提出，因此精密運動控制系統 設計之基礎在於高性能電動機驅動與控制系統之建立。而應用在微／奈米物件影
像呈現與檢測上的掃描式探針顯微儀，已成為奈米科技檢測與應用上的重要儀 器；諸如：原子力學顯微儀（Atomic Force Microscope, AFM）、隧道穿透式顯 微儀（Scanning Tunneling Microscope, STM）、以及近年來逐漸廣泛應用之掃 描式近場光學顯微儀（Scanning Near-field Optical Microscope, SNOM）、光子 力學顯微儀（Photonic Force Microscope, PFM）等。在這些奈米檢測儀器設備 裡，除了重要的光學與物理學原理應用外，最重要的機械設計，莫過於利用壓電 致動器設計之奈米級三維定位運動控制驅動系統。由於探針式掃描特性，若無精 密動態控制技術，將造成探針經常性的毀損，此將大大提昇儀器設備維護費用。
不僅如此，若無精密定位控制技術，將造成受測物體因不當檢測而造成嚴重刮傷 損毀，對於奈米元件雛形研製、或是商品化生產製造，都將嚴重阻礙元件研發與 產品市場化的時間性，以及嚴重增加研發與製造成本。
此外，為因應未來電動機驅動技術積體電路化之需求及提昇本國電機控制相 關產業之水準，必須及早培育電機控制之特殊用途積體電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）或系統單晶片（System-on-Chip, SOC）設計研究人 力及建立自主技術。另外將國內相關大學院校於近幾年內在電機控制領域所累積 的技術能量，藉由本主題之相關計畫將之轉換成特殊用途積體電路，並進一步降 低成本，增加商品化的契機。
由以上之說明，本主題除繼續規劃旋轉式感應電動機與同步電動機相關電動 機驅動與控制系統之相關研究方向外，規劃重點在於各式磁阻電動機、各式線性 電動機之驅動與相關控制系統設計及應用研究，以及微奈米精密運動控制系統之 設計與應用研究。
擬推動之研究主題及內容
由各種能源應用、微奈米精密加工技術需求及民生工業應用發展趨勢之觀 察，各國除對具原創性之電動機驅動與控制系統研發人才的需求將不斷地增加。
為因應未來新一代電動機驅動與控制系統各式新技術之需求，宜及早培育高級電 機控制設計之研發人力，因此本特色計畫擬推動下列各項研究包括：
主題一：各式電磁電動機之先進驅動電路與轉換器研究
(1)開發電源介面電路，提升電動機轉換器在電源側的品質，提升其功率轉換 調
控能力
(2)開發各型轉換器之軟式切換技術 (3)開發隨機 PWM 切換轉換器 (4)開發矩陣式切換轉換器 (5)開發增壓電路及其控制策略
(6)開發強健電流控制器與電流波形之規劃、研擬及控制 (7)驅動電路動態模式及參數估測
(8)高性能電動機變頻驅動技術之開發及性能評估 (9)轉換器驅動電路及控制器之模組化 IC 研發設計
主題二：旋轉型感應、同步與開關式及同步式磁阻電動機驅動技術 (1)磁場導向控制失調(Detuning)現象之補償研究
(2)無轉軸角/速度感測器(Sensorless)控制法則之研究 (3)轉矩漣波減低技術之研究
(4)線上電動機電氣參數估測技術之研究 (5)電動機之精密位置偵測技術開發
(6)低噪音及低抖動轉矩驅動控制技術開發及硬體設計
主題三：低轉速或高轉矩電動機之驅動控制及應用 (1)永磁同步電動機或開關式磁阻電動機位置控制
(2)以永磁同步電動機或開關式磁阻電動機實現空調壓縮機驅動器的研究 (3)以永磁同步電動機實現電梯之驅動及控制
(4)永磁同步電動機或開關式磁阻電動機在洗衣機的應用及其無轉軸驅動器 之研發
(5)永磁同步或開關式磁阻電動機在電動機車上之應用研究 (6)永磁同步電動機之直接驅動及其應用
(7)永磁同步電動機或開關磁阻電動機在健身器材的應用
主題四：線性電動機驅動技術
(1)回授線性化理論與驅動技術與動態模式及控制研究開發 (2)空間向量調變理論與驅動技術之研究與開發
(3)磁場導向理論與驅動技術之研究與開發 (4)線上位置、速度與參數估測技術研發
主題五：各式電動機精密運動控制系統設計與應用技術 (1)各式智慧型控制系統設計與應用
(2)適應控制系統設計與應用 (3)非線性控制系統設計與應用
(4)智慧型與非線性混合型控制系統設計與應用 (5)雙軸與三軸軌跡規劃設計與應用
主題六：壓電致動器精密驅動技術研究 (1)壓電致動器數學模型化
主題六：壓電致動器精密驅動技術研究 (1)壓電致動器數學模型化