1.1 研究動機與目的
隨著人們生活習慣的改變和高度的工業自動化，各式的馬達應用也越 多，其中可精準定位的伺服馬達更廣泛地應用在各式各樣的自動化工業場合 中，使得物件的加工更快速、更精準且更安全，自動化生產的良率也提升。
伺服馬達的應用場合相當廣泛，例如電腦數值工具機(CNC)、高速高精密的 自動生產線、紡織機、機械手臂、機械人、電動車等等。
常見的伺服馬達大致可分為有刷式的永磁直流伺服馬達和無刷式的交流 伺服馬達，其中交流伺服馬達有製造成本較低、體積較小且沒有碳刷不用經 常維護等優點，但缺點是交流伺服馬達的控制較直流伺服馬達困難許多，藉 由交流馬達的向量控制理論[1-2]，將使得交流伺服馬達的控制變得較為簡 單，再加上近年來電力電子的技術、變頻器控制與微處理器的高度發展，讓 交流伺服控制更容易實現、價格更低廉，已逐漸取代直流伺服馬達。隨著交 流伺服馬達的應用越廣泛，且弦波解碼器提供更精密的位置量測，低階的伺 服馬達驅動器已不能滿足高科技業的高速高精密之需求，如何提升整體的控 制效能已成為重要課題。
1.2 研究背景與發展概況
在交流伺服馬達的向量控制方面，至今有相當多的論文提出各種有效的 控制架構，在參考文獻[3-4]中，一個典型的永磁式交流同步馬達的向量控制 架構已被提出，主要是利用座標轉換的技巧將馬達的定子電流解耦成磁場電 流分量與力矩電流分量，以達到磁場與力矩分別控制不互相干擾，進而達成 速度控制與弱磁(flux weakening)控制的目的。為了使馬達達到更高於額定轉 速的速度應用，使馬達操作在定功率的弱磁控制方法也相繼被提出[5-7]。此 外，市面上的伺服驅動器廠商為了讓使用者更方便地應用，開發了許多自動
參數調整的機制，自動適應不同的工作情況，自動調整出最佳的工作狀態。
因此不斷的提升控制效能，並且使伺服驅動器更智慧化，更適用在多變的工 作環境則是各家伺服驅動器廠商的共同目標。
近年來由於超大型積體電路(VLSI)技術的不斷創新，各種數位訊號處理 器(DSP)的性能也都大幅提升，且價格也有顯著的下降，使得各種 DSP 的應 用 越 來 越 廣 泛 。 本 研 究 採 用 的 是 德 州 儀 器 公 司 專 為 馬 達 控 制 所 生 產 的 TMS320F2812 DSP 來做為伺服控制的核心運算處理器，其優點為運算速度較 快，運算暫存的位元數較高，並且以 C 語言做程式的開發設計，方便程式的 維護且縮短開發的時間。
1.3 問題描述
1. 負載與外部擾動對伺服馬達控制系統的影響
從伺服馬達的速度迴路來看，系統的負載改變會直接地影響速度響應，
例如轉動慣量的改變會影響到速度動態響應，而黏滯係數的改變不僅會影響 到速度的動態響應，也會影響到穩態響應；另外外部擾動，例如切削力也會 使系統的響應下降。
2. 電流回授所造成的速度 ripple
伺服馬達控制系統的最內層控制迴路為電流迴路，其響應的好壞會非常 直接地影響到整體性能。電流迴路的回授信號是透過霍爾電流感測器所感測 到的，並經過振幅縮放與凖位拉升，再送至 DSP 的 ADC 端，但是這些電路 的電阻一定存在著誤差值，這些種種問題的累積便會造成電流回授信號平均 值非零或振幅不同的現象，這使得馬達在定速控制時，發生速度 ripple 的問 題。
3. 非線性摩擦力對伺服馬達控制系統的影響
摩擦力是以某種程度的影響力存在於所有的機械設備，在許多運動控制 的應用中，摩擦力一直是限制系統性能的主要因素之一，但是因為非線性是
它的自然特性，所以摩擦力通常都會被乎略或是使用一般控制器不當的補償 它。例如在CNC XY 軸循圓的過程中，在 0 度、90 度、180 度及 270 度等轉 角的地方均會產生較大的輪廓誤差，這是因為非線性摩擦力所引起的，使得 馬達換向的瞬間無法快速地跟上命令。
1.4 研究方法
1. 以擾動觀測器進行轉動慣量與黏滯係數的自動估測
對於工程師來說，可以利用trial and error 的方法在特定的負載下，使伺 服馬達具有良好的性能，但是如果希望伺服馬達在不同負載皆有相似的性 能，就必須得知轉動慣量參數。本文提出以擾動觀測器進行轉動慣量與黏滯 係數的自動估測，再以估測的轉動慣量調整速度 PI 控制器增益；另外外部擾 動，可透過擾動觀測器有效地抑制下來，使伺服馬達的剛性大幅提升。
2. 利用擾動觀測器抑制速度 ripple
本文所提出的擾動觀測器之架構，將電流迴路假設為unity gain，也就是 說電流回授平均值非零或峰到峰值不同的問題，將被視為modeling error，只 要擾動觀測器的極點位置擺置的足夠遠，將能即時的修正電流命令，達到良 好的速度響應。
3. 設計非線性摩擦力補償器
對於機械設備中存在著摩擦力的問題，本文採用前饋式非線性補償器補 償非線性摩擦力，而非線性補償器是由 off-line 的方法自動識別出之非線性 曲線來加以補償，可以有效地降低系統摩擦力造成的 stick-slip 現象，使輪廓 精密度大幅提升。
1.5 論文架構
本論文共分七章，第一章旨在簡述研究的動機、目的、背景與發展，並 陳述所要研究的問題、方法、步驟。第二章介紹永磁式交流同步馬達的模型 推導、座標系統轉換、硬體架構及伺服控制架構。第三章描述擾動觀測器的 設計，並以擾動觀測器進行轉動慣量與黏滯係數的自動估測，接著分析速度 ripple 的起因與抑制方法。第四章首先簡單地介紹本論文的實驗機台，接著 介紹前置控制器的原理與設計，最後介紹系統的非線性現象與其造成的影 響，並探討以非線性摩擦補償器作為解決的方法。第五章將使用第三章與第 四章所介紹的控制器進行實際機台的循圓實驗，並進一步在 CNC 工具機上 加載，證實第三章所介紹的控制器，不但可以將性能強制鎖住，還可增加系 統的重現性。第六章將透過 Ethernet 與 RS-232 實現伺服馬達遠端監控系統，
提供遠端獲得系統模型、摩擦力曲線與負載慣量比等資訊。最後第七章會對 本論文的研究成果做一個分析與討論。