行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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智慧型電磁式致動器之開發與特性研究
※※Development of A Smart Electromagnetic Actuator And Research on Its Characteristics※ ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
計畫類別：
þ
個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC89-2212-E-002-079-執行期間：民國 88 年 8 月 1 日至民國 89 年 7 月 31 日
計畫主持人： 黃光裕
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立臺灣大學機械工程學系
中華民國八十九年九月四日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計畫名稱：智慧型電磁式致動器之開發與特性研究
Development of A Smart Electromagnetic Actuator And Research on Its Characteristics
計畫編號：NSC89-2212-E-002-079-執行期限：自民國 88 年 8 月 1 日至民國 89 年 7 月 31 日
主持人：黃光裕 國立臺灣大學機械工程學系
一、中文摘要 本計畫之主要研究目的是以模組化設 計方式將致動與位移感測功能整合於單一 元件之智慧型電磁式致動結構，使其能夠 擔任各式磁浮任務。首先以實體模型實驗 方式開發出智慧型電磁式致動結構，並將 其安置在所開發之單自由度磁浮軸承系統 中，使其擔任主動軸向軸承的工作。運用 實驗測試與有限元素分析方法進行系統識 別工作，配合數位信號處理器（DSP）、電 腦控制程式與控制電路，以達成穩固的磁 力懸浮旋轉；並對磁浮軸承系統進行各種 特性測試包括轉速、負載性、剛性、偏擺、 熱損耗與能量效率等。所開發之智慧型電 磁式致動器有幾項異於傳統的特性：(1)整 合致動與感測之智慧型致動結構；(2)極富 應用彈性之模組化設計；(3)強力永久磁石 配合低磁漏磁迴路設計提昇負載功率比 值，而不需外加散熱系統；(4)大磁致動間 隙適用於特殊環境狀態。 關鍵詞：模組化、智慧型結構、電磁致動 器、永久磁石、磁浮軸承、自動控制 Abstr actThe aim of this project is to develop a smart electromagnetic actuator with actuating and position sensing function integrated into a single element, and its modular design can be applied to different kinds of magnetic levitating areas. According to the results of a series of experimental testing a smart actuator is developed, and it works as an active axial bearing in an 1-dof magnetic bearing system. The system identification is done by using experimental testing and finite element analysis. The implement of the digital signal processor DSP based controller
achieves the stable levitating function.
Finally performance testing including
rotating speed, load capacity, bearing stiffness, vibratory displacement, thermal loss and energy efficiency is carried out. There are several characteristics, which differentiate this magnetic levitation module
from its traditional counterparts:
(1)integrating actuating and position sensing function into a smart structure, (2)modular design allowing different kinds of application, (3)strong permanent magnet in low-leak magnetic loop increasing load power ratio without additional heat system, and (4)big actuating gap which make application in special environment possible.
Keywor ds: modular design, smart structure,
electromagnetic actuator, permanent magnet, magnetic bearing, automatic control
二、計劃緣由與目的 電磁作用原理由於其多項優點與特 性，也能一再隨著科技發展而接受與完成 各種新的具有挑戰性任務，從大型磁浮車 輛至微小透鏡對焦系統都能察覺它的存 在。電磁作用原理在致動功能佔有重要地 位，但如何與量測器結合在一起以完成有 效率的微小化回饋控制系統，則是可以努 力專研之課題。由於位移量測設備之硬體 與週邊控制器之大體積，往往不適於直接 運用在小型化裝置中。位移量測器微小化 是絕對有其必要性。霍耳元件是以半導體 製程製成之體積微小磁場量測元件，目前 已廣泛用在磁場、電流、角度與轉速量測 上。經由適當能量轉換位移變化也是可以 藉由磁場變化量測得，霍耳元件也就可以
作為非接觸式位移量測器；除此外霍耳元 件也具有極佳動態特性，一般都可以量測 頻率 20 kHz 以下之磁場變化。再與電磁式 致動器隔空傳導磁能之特性結合在一起， 必定能使電磁作用原理發揮得淋漓盡致。 功能整合還可以使整體體積更為緊緻，並 有利於模組化系統之開發。本研究計畫之 主要目的在開發一個兼具位移量測功能與 致動功能於一體之智慧型電磁式致動器。 位移量測功能將採用霍耳感測元件(Hall sensor)，藉由磁場強度之變化來量測作用 元件與致動元件之間位移變化量。致動功 能則採取電磁作用原理，利用通電流之線 圈所產生磁能隔空傳導至作用元件上。系 統特性如位移感測精度、電磁力、位移精 度與動態特性等也將深入探討與分析，以 作為進一步系統最佳化設計之依據。 三、結果與討論 將電磁式致動器與霍爾感測器相互搭 配，開發出智慧型磁浮模組，前後陸續完 成四代設計：訊號補償式設計、訊號補償 式設計、改良式ㄇ字形迴路設計與對稱迴 路磁場導引式設計。對稱迴路磁場導引式 之設計結構如圖 1 所示，整體為軸對稱型 設計，使得磁浮轉子可以作平順的旋轉運 動，當磁浮定子與磁浮動子同軸運轉時整 體磁阻為最小，所以相吸引狀態下磁浮轉 子擁有徑向穩定性。又在動子與定子達成 封閉磁迴路以降低磁漏，並加入強力釹鐵 硼磁石以增加磁通密度，進而增加磁力並 提昇效率。配合非導磁材料以避免致動磁 場影響霍爾 IC，將大部分磁力線導引至外 圍，使動子的位移能夠由中央的霍爾 IC 精 確量測得。 霍爾 IC 之小感測面積 1mm × 1mm，符 合緊緻結構的需求；再加上優良訊號靈敏 度與線性度十分適於動子的位移量測。然 而霍爾 IC 高雜訊與溫度飄移問題必須在訊 號處理中加以克服改善。霍爾輸出是屬於 小類比訊號，為了提昇訊號敏感度必須將 訊號作千倍放大，在後續控制電路則須加 入適當濾波器以消除訊號放大與處理所產 生之高頻雜訊。由於致動器與感測器整合 在同一元件上，線圈之熱損耗會直接影響 感測器，降低致動功率才能有效改善熱飄 移效應。 磁浮定子 磁浮動子 霍爾IC 導磁材料 導磁材料 線圈 磁力線 非導磁材料 圖 1：對稱迴路磁場導引式之設計結構。 經過多次實 驗測試求得 較佳線圈 參 數，致動線圈之線徑為 0.4mm，線圈電阻值 為 5Ω，電感值約 20mH，匝數 N 為 750 匝。 功率放大器之最大電流輸出為 3A，所以磁 動勢 NI 極值為 2250A。配合功率放大器的 穩態工作電流設定在 0.2A，線圈之平均熱 功率僅為 0.2W，極低發熱量不需要外加散 熱系統冷卻。並以實驗測試方式確定其穩 定區範圍、靜態負載與各種時域響應等特 性。為探討智慧型電磁式致動器之整體特 性，作了一系列系統識別實驗，其特性分 別如圖 2 與圖 3 所示。 經過實際懸浮實 驗，發現其具有幾項特性：(1)穩定區寬 廣，可輕易達成穩定磁懸浮。(2)致動間隙 大，可承載大負載。(3)動子可作平順旋轉 運動。(4) 低功率消耗與發熱，可在無外 加冷卻系統的條件下達到長時間穩定懸 浮。 計畫中並設計一套單自由度磁浮軸承 系統，將所開發智慧型磁浮模組擔任其主 動軸向軸承的任務，以便對其性能進行動 態測試。單自由度磁浮軸承系統共包括五 個子系統：軸向主動磁浮軸承、徑向被動 磁浮軸承、旋轉主軸、旋轉致動器、和測 試平台。
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 3 4 5 6 7 8 9 10 2.0A 1.5A 1.0A 0.5A 0.0A -0.5A -1.0A -1.5A -2.0A 空氣間隙(mm) 磁浮致動推斥力(N) 線圈電流 圖 2 ：不同線圈電流量下致動間隙對致動 推斥力的影響。 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 2.0A 1.5A 1.0A 0.5A 0.0A -0.5A -1.0A -1.5A -2.0A 線圈電流 空氣間隙(mm) 霍爾電壓(V) 圖 3：不同線圈電流量下致動間隙對霍 爾 旋轉致動器以馬達帶動磁耦之方式非 接觸式傳遞扭矩予旋轉主軸，使其能夠懸 浮旋轉。測試平台用於量測旋轉主軸的各 種運動特性。設備總組合圖如圖 4 所示， 圖 5 為推導得之系統數學模型之方塊圖。 磁浮軸承系統而言暫態響應相對於穩態響 應來得重要，所以採用正比-微分控制法則 （PD control），可以有效地使磁浮軸承系 統達成穩定懸浮旋轉，圖 5 中控制器的轉 移函數則設定為C(s)=KDs+KP。加大正 比參數K 可以減小穩態誤差而提高系統P 剛性；而加大微分參數K 可以減小超越量D （overshoot）而提升暫態響應。選定正比 參數K =15，微分參數P K =0.1，低通濾波D 器截止頻率為 213Hz。 磁浮模組定子 荷重 徑向軸承動子 徑向軸承定子 磁浮模組動子 磁浮模組 定子固定座 徑向軸承 定子固定座 旋轉主軸 圓形皮帶 大皮帶輪 小皮帶輪 驅動磁耦 被動磁耦 位移微調平台 磁耦轉軸 磁耦轉軸 軸承固定座 馬達固定座 馬達 轉速計 彈性軸聯器 圖 4：磁浮軸承設備總組合圖。 3515 441 . 0 1 2 − s r V D ∑ ∑ Y e V Vc I h V 168 250 500 + s ) (s C 0.379 + + + -圖 5：磁浮軸承系統數學模型之方塊-圖。 負載與熱損耗功率 最大懸浮質量 3kg 時，磁浮致動間隙 小於 3mm，懸浮質量並可作 10 rpm 低速慣
性轉動，線圈之溫升僅為 4℃，線圈電流恆 小於 0.1A，其功率小於 0.05W，證實所開 發磁浮模組設計可達成近零功率高荷重磁 浮之目標。 轉速與徑向偏移 由於旋轉主 軸系統未經 過動平衡 處 理，而且各軸承系統有裝配上的誤差，所 以隨著轉速增加，主軸的徑向偏移也會隨 之增加，在加速測試過程中，主軸徑向偏 移與轉速關係如圖 5.2 所示。最大轉速約 為 284 rpm（29.74 rad/s），在 300rpm 的 轉速以下，最大偏移量約為 0.3mm。 0 0.1 0.2 0.3 0 100 200 300 徑向偏移 (mm) 轉速 (rpm) 一秒平均 原始資料 圖 6：徑向偏移與轉速關係。 軸承軸向剛性 磁浮模組配合控制器產生使系統穩定 的正彈性係數，以克服兩組徑向軸承所產 生使系統不穩定的負彈性係數。磁浮軸承 系統之平均軸向剛性為 1.78 N/mm。 四、計畫成果自評 歷經多次測試實驗與結構改良，開發 出對稱迴路磁場導引式智慧型電磁式致動 器。動態特性方面，在無外加負荷情況下 1.16 kg 轉子最高轉速可達 300 rpm，軸承 軸向剛性為 1.78 N/mm，轉子最大偏移半徑 為 0.3mm，磁浮致動間隙為 5mm。靜態特性 方面，在轉子靜止的情況下磁浮模組最大 負載最高可達 3 kgw，磁浮致動間隙為 3mm，線圈電流不超過 0.1A，最大功率消耗 不超過 0.05W，最大溫升為 4℃。綜觀本研 究在學術及工業之貢獻如下： 1. 成功地將致動與位移感測功能整合於 單一元件中，形成智慧型電磁式致動器 結構。 2. 模組化設計使所開發之裝置能適用於 多類型的磁浮需求。 3. 近零功率消耗能提供優良靜態負載能 力。 4. 大磁浮間隙設計適用於特殊環境狀態 下之磁浮需求。 5. 藉由所開發的軟體程式可進行系統識 別和調整控制參數。 6. 建立一套單自由度磁浮軸承系統化設 計開發與測試流程。 本研究計畫如原預期規畫完成智慧 型電磁式致動器之設計與製作，以各種實 驗測試方式完成必要特性測試，同時也推 導出系統數學模型能夠相當有效且準確模 擬運動特性與控制參數之選取。 五、參考文獻
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