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1、摘要摘要 文題目文題目(中文中文)圓柱型磁浮致動器及其應用之設計、實現及驗證圓柱型磁浮致動器及其應用之設計、實現及驗證 文題目文題目(英文英文)Design, Implementation and Verification for a Cylindrical Magnetic Suspension Actuator and Its Applications 研 究 生：陳俊 指導教授清一 磁浮系統在操作上具有無摩擦、無接觸與無噪音的特性，其設計與技術，已經發展非常成熟。本文使用混合永久磁鐵與回授控制設計磁浮致動器，由磁場之模擬、驗證以建系統的，進而製成系統雛型，用此磁浮致動器雛型進實驗與性能測
2、試，再用閉迴 PID 控制器改善其性能。最後再設計、模擬與驗證另一型同結構的磁浮致動器，致動器內嵌組永久磁鐵於其底座與支撐座，透過外部電控制電磁而對磁浮致動器機構形成彈簧效應。用致動器的確定位及對外界擾動的調節能，應用於球與桿的平衡系統，控制支致動器的支撐座於穩定點的高達到控制桿角的變化，使球停止在穩定點上。在控制機制上使用 fuzzy 控制法計算球穩定所需之桿角的修正，再使用 PID控制器控制磁浮致動器高使球到達穩定位置，並以同條件的實驗呈現系統的控制性能。最後對改進方法及未的研究方向提出建議。 第一章第一章 緒緒 1.1 問題陳述問題陳述 避震器的作用在於吸收由地面所傳的加速產生之，傳統上
3、設計是以液壓或氣壓缸為避震阻尼，將加速產生之能吸收並轉換為熱能，所以會使液壓油變熱進而變質。新一代的避震阻尼設計重點在於減少安定時間，隨著同的地面而能即時的改變阻尼值，使乘載的人或物能有最舒適感。 一般機械性的避震器可以分成，即主動式與被動式避震器。一個簡單的被動式避震器如圖 1-1 所示，包含一的彈簧與阻尼器.另外被動式避震器也被實現在液壓或是氣壓的技術上 ， 圖 1-2 所示即為以氣壓所構成的被動式避震器，其根本上為一封閉的儲存器。用置於彈性隔膜上的活的上下移動做位移的控制，空氣經由彈簧室（spring chamber）與阻尼室（damping chamber）的小孔會造成所含能減少，而低
4、振幅的大小。這被動式避震器是否有彈簧或使用氣壓式，會有摩擦、污染或油的問題。 磁浮技術被設計成無接觸無、噪音與反應快速，基本上磁浮可用提供載重與吸收外部震動能，近磁浮的實際應用有磁浮軸承、磁浮輸送帶、磁浮運輸與磁浮平台，用基本的電磁加上合適的感測器與驅動電，配合回授控制即可建磁浮。 本文主要建一套模擬分析、系統設計、雛形製作以及完整測試的開發技術，以建可應用的磁浮避震器，研究重心在於磁浮避震器之設計與控制，從磁場的模擬分析、硬體的設計改、感測器及驅動器的選擇，最後經由 PID 控制器的調整達到最佳的控制。在磁場的模擬分析中，透過有限元素分析的方式可以從中觀測模擬與實際測磁的差性，並驗證其可靠，
5、以作為未研究之用，如此可以節在於硬體設計上所花費的時間。在控制器的設計上，以 PID 作為控制器設計的核心，並測試避震系統對於外在干擾的強健性，同時與未加控制器前比較，最後可驗證出系統在增加控制器後可抵抗震動之干擾，並快速回至所設定的平衡點。而為克服被動式避震器的缺點首先提出可得到準確位置控制與抑制衝擊外的圓柱型軸式磁浮致動器，這個致動器亦被設計並製成硬體以驗證其性能。 本文所提出圓柱型軸式磁浮致動器本身為一非線性與穩定的系統，由於其非線性特性，以電磁推導系統的動態方程式與驗證磁浮模型，用 Maxwell 3D 軟體決定其機構與分析電磁場分布，並經由古典控制解決這個圓柱型軸式磁浮致動器的穩定問
6、題 1.2 磁浮致動器概磁浮致動器概 磁浮技術的優點為無摩擦、無污染、高速與低噪音，過去二十如磁浮運輸系統、磁浮風、磁浮軸承與磁浮軌道等磁浮系統已被應用在工業上。文獻上磁場應用分為大間隙與小間隙。當磁場分布空間的實體距大於磁極直徑稱為大間隙系統，在這種情況下磁場由磁極表面到一段距的區域呈現非線性的分布，因此必須以模擬與/或實驗方式做出磁場分布的模型。當磁場空間有一非常小的距且小於磁極直徑，則稱為小間隙系統，在此情形下磁場被假設為線性與均勻分布於間隙。則磁與磁場分布、線圈電與其他影響的可以被簡化。在磁浮系統的設計依又可分為吸型與斥型種結構。大部分研究證明斥型的磁浮系統具有本質上穩定因而控制。另一
7、方面，純吸型磁浮系統架構，則有如球和電磁體，或者混合系統的設計。到目前為止，幾種有磁浮技術被處如下 (1) 使用永磁鐵產生斥 (2) 超導性 Meissner 效應 (3) 渦電引起的斥 (4) 控制直電磁 在本文直電磁磁浮也被使用，在 1932 Kemper 發展出直電磁磁浮，到 1960 固態電子的出現使得磁浮技術被廣泛應用。由控制直電磁線圈電產生磁，因而以控制直電磁線圈電做位置的靜態或動態控制變的非常容。圖 1.3 為吸型磁浮系統，圖 1.4 為混合永久磁鐵的吸型磁浮系統。又自 1980 高磁通密磁性材如非晶系材與 NdFeB 釹鐵硼材的發現，使得磁浮設計變得可且有。 1.3 文概要文概
8、要 以往磁浮系統的研究或設計以現成的實際硬體做實驗與探討。本文則從磁浮架構的設計探討，採用軟體分析進設計處，透過分析、修改達到要求的功能，使成為成熟的設計規範。 因此，本文提出種典型磁浮系統的設計和實施。 本架構如下， 第 II 章設計與討圓柱型軸式磁浮致動器的設計與分析並用回授控制做系統控制。 由 Ansoft 開發的 Maxwell 3D 分析軟體確定圓柱型軸式磁浮致動器架構的尺寸和部件材，磁場分布和磁分析，以作為系統雛型製造所需。 系統動態模型可由模擬分析結果與進一步的設計與製造中獲得。 第 III 章討圓柱型軸式磁浮致動器雛型系統設計。 這個圓柱型軸式磁浮致動器被製作成雛型並進實驗和驗
9、證其性能。 用 PID 控制器實現改進在同況的振動吸收性能。 此圓柱型軸式磁浮致動可被用於抑制震動或位置控制，並能發展成為一個件。 此系統可以進一步作為高等控制習以改善系統性能。 在 IV 章，使用在第 II 和 III 章所討分析的方法，發展另一型的磁浮致動器-定式混合型磁浮致動器。在這個定式混合型磁浮致動器嵌入個永久磁鐵，用斥方式在這個機械系統達到彈簧效應。 再加上電磁控制支撐部的位置。考慮系統的彈簧效應、渦電效應與空氣壓縮效應後用回授系統建系統的運動方。 系統的鑑別與模型化亦被討。 在系統雛型建置前使用磁場模擬做分析與修正。 最後以實驗證明這種定式混合型磁浮致動器性能。 在第 V 章，建
10、一個使用馬達機構的新球與桿系統架構。 在這個系統，在桿的端使用定式混合型磁浮致動器。球與桿系統應用控制系統達成平衡，透過得到桿的傾斜角與球位置感測控制一支定式混合型磁浮致動器以得到準確的球位置控制。 用模糊控制球與桿系統和 PID 控制定式混合型磁浮致動器相結合以使球和桿性能穩定。 最後進幾個實驗證實系統性能，穩定，平衡。 第 VI 章為本文做個結，並且建議有關的未研究方向。 第二章第二章 圓柱型軸式磁浮制動器的結構與特性圓柱型軸式磁浮制動器的結構與特性 磁浮的技術可以讓系統無接觸、無噪音與響應快。磁浮在目前的應用較具成熟的產品有磁浮軸承、磁浮輸送帶、磁浮鐵與磁浮平台。這些應用的皆是以電磁學的
11、觀為基礎，再搭配感測器等電子電而後用控制方法控制電改電磁場方向達到接觸的目的。由於磁浮系統本身為非線性，因此系統模式的推導與建十分重要，所以建系統的模式必須先經過電磁模擬，以有限元素分析方法分析。經過模擬分析後建最佳化的實際機構並對模擬結果推導出系統的動態方程式。由於磁浮本身是一個穩定的系統，透過閉迴控制後始使其成為穩定系統。 本磁浮制動器的動態為一個自由的上下回運動。其基本原是用上下線圈供給電時對中間的 NdfeB 永久磁鐵產生軸向的吸與斥達維持系統的平衡如圖 2.2 所示。系統的動子永久磁鐵被以一個鋁包覆固定在一個軸上。磁浮模型的主要磁作用必需是在 Z 方向，而動子永久磁鐵的擺設和其磁化向
12、的方向也是被定在 Z 方向。磁浮系統為穩定的非線性系統，對稱的設計以簡化系統。在系統動態方程式的推導時會有其它方向的作用或是作用矩或是因而產生的摩擦，使得磁場強計算中將模型簡化。本章的內容包含磁浮制動器的設計概、磁分析、磁分析與動態系統的學模式。 第三章第三章 圓柱型軸式磁浮制動器的實現與測試圓柱型軸式磁浮制動器的實現與測試 在第二章用電磁場模擬與分析，建系統建置所需的與證明，為達成系統的穩定控制，在磁浮致動器雛型製作後，將實際系統硬體做實驗性實際測以建磁浮避震系統完整的閉迴控制，系統整體的閉迴控制架構是由致動器、位置感測器、比電與控制器以及 PWM 式電源供應器所組成。在控制器的設計上，以
13、PID 作為控制器設計的核心，透過比 PID 控制器控制並測試避震系統對於外在干擾的強健性，同時與未加控制器前比較 。 整個系統的測試包含以以 5Kg 的重物 ， 分別在支撐平台上 1cm,3cm與 5cm 高下時其響應關係，接著用 Labworks Inc.的 PA-141放大器 與 ET-126B 震動源產生器 Exciter 產生外加干擾測試此系統之定位及減振能。透過 PA-141 Ampllifier 輸入各種同頻時由 ET-126B 震動源產生器產生振動，經由National instruments Co. 的 PCI-6052E 資擷取卡做資擷取後顯示於 PC 螢幕測試系統抗振動的
14、況。ET-126B 可以產生最大為峰值 25 磅正弦波式其最大位移可達 0.75 英吋，頻範圍可達 10 KHz，最後可驗證出系統在增加控制器後可抵抗震動之干擾，並快速回至所設定的平衡點。 第四章第四章 定式混合型磁浮避震器定式混合型磁浮避震器 在第四章介紹由第二章與第三章所使用的設計方法，發展出另一種新樣式的磁浮避震器，用電磁場模擬進而建系統建置所需的與證明此新混合型磁浮避震器的技術可以讓系統無接觸、無噪音與響應快。再搭配感測器等電子電而後用控制方法控制電改電磁場方向達到定位與避震的效果。系統模式的推導與建先經過電磁模擬以有限元素分析方法分析。經過模擬分析後建最佳化的實際機構並對模擬結果推導
15、出系統的動態方程式。 本定式混合型磁浮避震器的動態亦為為一個自由的上下回運動。其基本原是用單一線圈供給電時對上下個 NdfeB永久磁鐵產生軸向的吸與斥達維持系統的平衡如圖 4.2 所示。系統的支撐座內嵌永久磁鐵被並包覆固定在一個軸上。磁浮模型的主要磁作用必需是在 Z 方向，而支撐座永久磁鐵的擺設和其磁化向的方向也是被定在 Z 方向。磁浮系統為穩定的非線性系統，對稱的設計以簡化系統。在系統動態方程式的推導時會有其它方向的作用或是作用矩或是因而產生的摩擦，使得磁場強計算中將模型簡化。 最後建置此一系統的雛形，用資擷取卡 DAQ PCI-6052E 對此定式混合型避震器控制與應用，並用系的測試驗證系統的功能與響應，以作為第五章應用的考。經過測試後證明由此方法設計的定式混合型磁浮避震器確實可用。 第五章第五章 應用模糊控制於定式混合型磁浮避震器的球桿系統應用模糊控制於定式混合型磁浮避震器的球桿系統 在第五章介紹應用模糊控制於定式混合型磁浮避震器的球桿系統，球桿系統在先天上具有非線性、穩定的特質，要控制球穩定在桿上的任意點上並容。本研究介紹使用隻定式
