气压马达伺服控制

1、氣壓馬達伺服控制組員：蕭鴻興、曾泓文、李駿豪、歐吉祥、王維彤德霖技術學院機械工程系日五專0921指導老師：林柳絮老師摘 要氣壓馬達主要功能為應用於電動馬達、油壓馬達、伺服馬達、步進馬達不適用場合下使用。由於氣動馬達使用空氣取代電力來產生動力，因此特別適用於含有化學、易燃性或揮發性等物質，易燃、易爆之工業場所。此外相較於其它馬達，其體積小、重量輕，但轉速、扭力高，適用於機械人系統、倍力機械與救難設備等。目前氣壓馬達之用途也趨向多元化，例如捲揚機、吊車、傳動輸送帶、食品藥物品包裝、攪拌裝備、自動機械傳動裝置、旋轉台、泵浦驅動、粉碎延磨機等。由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所

2、以氣壓馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷的推陳出新與功能不斷的增強；此外各種現代控制方法與理論也不斷地提出，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制，如今也可以來研究開發。所以本研究嘗試使用盛群半導體公司之微控制器(HT46R24)，導入双MCU平行處理的創新觀念，研究開發以微控制器為基礎之氣壓馬達伺服控制用驅動器，進而探討微控制器於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。致 謝感謝老師給我們這次機會且指導我們，在我們遇到瓶頸時，給予適時的鼓

3、勵與建議，使我們學到遇到困難就必須努力解決，且對氣壓馬達有更進一步的了解。一、創作動機與目的氣壓系統在產業自動化中，屬於低成本自動化的領域，在各製造業中被廣泛應用，如自動進料退料系統、包裝機械、塑膠射出機、IC插件機、高速研磨機等，對於省力化、少人化的自動生產系統，扮演著極重要且基本的角色，同時氣壓系統若搭配適當的機構、感測器及電動機控制即是機電整合(mechatronics)。氣壓系統致動器依其運動方式之不同，可分為產生直線運動之氣壓缸、產生旋擺運動之氣壓旋擺器與產生迴轉運動之氣壓馬達。其中氣壓馬達(air motor)與電氣馬達相較，氣壓馬達有如下特性：1. 可以無限制的反覆正逆轉或停止、

4、起動而不會燒毀。2. 起動或停止時的切換無火花產生，無爆炸之虞。3. 轉速的選擇範圍大。4. 受外界環境如濕氣、氣溫、塵埃等因素的影響少。5. 超負載時馬達停止不會有燒毀之虞。6. 重量、外型均較同馬力之電氣馬達輕巧。雖然氣壓馬達有上述之優點，但是由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所以氣壓馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷的推陳出新，與功能不斷的增強；此外各種現代控制方法與理論也不斷地提出，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精

5、密伺服控制，如今也可以來研究開發。所以本研究嘗試使用盛群半導體公司之微控制器(HT46R24) ，導入双MCU平行處理的創新觀念，研究開發以微控制器為基礎之氣壓馬達伺服控制用之驅動器，進而探討微控制器於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。二、作品之功能性、創新性、實用性目前國內一些關於氣壓系統精密伺服控制的研究與開發，大多是以無桿式氣壓缸的定位控制為多數，關於氣壓馬達精密伺服控制的研究，由於其控制技術的困難度與用途特殊，氣動馬達可在電動馬達、油壓馬達、伺服馬達、步進馬達不適用場合下使用，目前僅有國立中央大學黃衍任教授於2005.6提出一氣壓馬達定速控制之研究 ，但其仍屬於學術性研究，同時其

6、氣壓馬達僅能單方向轉動，不能正逆轉。所以本專題製作以實際商品研發為目標，研究開發氣壓馬達精密伺服控制系統，其中包括：1.氣壓伺服馬達設計與製作。2.以微控制器為基礎之氣壓馬達伺服控制驅動器設計與製作。3.氣壓馬達精密伺服控制系統之控制理論與機制研發與實現。其與電氣馬達精密伺服控制作一對應比較，示意圖如圖一所示。本專題製作氣壓馬達伺服控制系統完成後，不但提昇傳統氣壓馬達的功能並開創新的應用層面，同時亦增加HOLTEK MCU 於工業機電控制應用的寬廣性。此外本研究導入双MCU平行處理的創新觀念來設計驅動器，提昇驅動器之效能。圖一 氣壓與電氣馬達伺服控制系統對應比較圖三、工作原理本專題製作氣壓馬達

7、伺服控制系統，主要是由氣壓源、空氣調理組、5口3位比例閥、快速排氣閥、輪葉式氣壓馬達、旋轉光學編碼器、伺服驅動器(內建HT46R24 MCU與轉速轉換電路)、個人電腦及相關運動控制卡(AD/DA卡)所構成。其系統架構圖，如圖二所示。圖二 氣壓馬達精密伺服控制系統架構圖氣壓馬達伺服控制系統工作原理詳述如下：個人電腦為系統控制器與人機界面，使用者輸入預設定之氣壓馬達轉速值，個人電腦計算相對應之控制量，再經由運動控制卡DAC轉換成05V類比電壓訊號送至伺服驅動器，經伺服驅動器內運算放大電路送出010V電壓至比例閥，比例閥依輸入電壓大小控制高壓空氣進入氣壓馬達之流量與方向，使氣壓馬達按照期望之轉速與方

8、向運轉，最後經由光學編碼器的量測送出方波訊號至伺服驅動器經由HT46R24 MCU計時/計數器計算出氣壓馬達轉速並轉換為類比電壓訊號傳輸至PC，PC根據此回授轉速值與內建控制法則(control law) ，調整輸出類比電壓訊號進而達到氣壓馬達轉速閉迴路控制，其氣壓馬達轉速閉迴路控制方塊圖，如圖三所示。圖三 氣壓馬達轉速閉迴路控制方塊圖四、作品功能、特色氣壓馬達主要功能為應用於電動馬達、油壓馬達、伺服馬達、步進馬達不適用場合下使用。由於氣動馬達始使用空氣取代電力來產生動力，因此特別適用於含有化學、易燃性或揮發性等物質，易燃、易爆之工業場所。此外由於相較於其它馬達，其體積、重量小，但轉速、扭力高

9、，適用於機械人系統、倍力機械與救難設備等。目前氣壓馬達之用途也趨向多元化，例如捲揚機、吊車、傳動輸送帶、食品藥物品包裝、攪拌裝備、自動機械傳動裝置、旋轉台、泵浦驅動、粉碎延磨機等。氣壓馬達相較於其它馬達有如下特色：1. 可以無限制的反覆正逆轉或停止、起動而不會燒毀。2. 起動或停止時的切換無火花產生，無爆炸之虞。3. 轉速的選擇範圍大。4. 受外界環境如濕氣、氣溫、塵埃等因素的影響少。5. 超負載時馬達停止不會有燒毀之虞。6. 重量、外型均較同馬力之電氣馬達輕巧。本專題製作氣壓馬達伺服控制系統，將傳統一般之氣壓馬達研發改良為氣壓伺服馬達，預期將大幅提升傳統一般氣壓馬達性能與功能，同時提升與擴展

10、其應用層面與領域，將使氣壓馬達更具市場競爭力。五、設計方式本專題作品設計方式主要分成氣壓馬達系統、驅動器驅動電路、轉速轉換電路、HT46R24 MCU程式與PC人機介面五部份：1.氣壓馬達系統部份：根據氣壓工程學原理及機械加工法之規範加工組裝完成。2.驅動器驅動電路部份：根據微控制器學原理與HT46R24 MCU的Data Sheet 加工組裝完成。其中手動與電腦輸入之05V電壓訊號由HT46R24 MCU之AN0 、AN1腳位輸入，其使用到HT46R24 MCU AD轉換之功能。另使用PA0PA7 建置R-2R Ladder DAC 電路。3.轉速轉換電路部份：根據微控制器學原理與HT46R

11、24 MCU的Data Sheet 加工組裝完成。其中旋轉編碼器輸出之脈波訊訊號經由計數電路轉換為8 bit訊號，由PA0PA7 讀取，並使用HT46R24 MCU之Timer0 以中斷方式產生計數所需之取樣時間(Sampling time) 。另使用PA0PA7 建置R-2R Ladder DAC 電路，將HT46R24 MCU計算後之轉速值以電壓輸出。4.HT46R24 MCU程式部份：使用盛群C 語言來撰寫控制邏輯。5.PC人機介面部份：使用BCB 5.0軟体搭配凌華9112多功能ADDA卡撰寫氣壓馬達伺服控制系統人機介面程式。整個專題作品從開發到完成時間估計6個月，所有專題製作費用估計

12、約為5萬元左右。在創作本作品時所遇到的最大困難是本專題製作為機電整合作品，渉及多項專業領域的知識，現成的相關資料很少，所以必須一邊摸索研究如何將HT46R24 MCU與系統機電整合，一邊進行本專題作品氣壓馬達伺服控制系統之研發製作，在製作的過程中不斷的變更設計，重新製作，相當辛苦，可謂是一大挑戰。本專題製作團隊係採用共同討論，分工進行的方式完成本專題製作作品，本組組員工作劃分為：組長 蕭鴻興：整合協調專題進度、氣壓馬達伺服控制系統整合加工與測試、程式撰寫、電子電路設計、加工與測試。六、測試方式本專題首先將專題作品分成氣壓馬達系統、驅動器驅動電路、轉速轉換電路與PC人機介面四部份進行個別實機測試

13、，最後再將四個系統組合起來進行整合系統實機測試。其測試條件與測試環境為：1. 氣壓馬達轉速測試：氣體壓力設定為5 bar，由電源功供應器提供010V直流電壓，5/3比例控制閥，並使用手持光學轉速計量測氣壓馬達的轉速特性。2. 驅動器驅動電路測試：電源功供應器提供05V直流電壓給驅動器驅動電路，並使用三用電表量測驅動器驅動電路輸出的電壓值是否正確，並使用孕龍科技股份有限公司提供之邏輯分析儀檢測”R-2R梯狀數位轉類比電路”是否正確，控制器主體系統頻率為4MHz，系統電壓使用直流5V電壓。3. 轉速轉換電路測試：使用波形產生器產生TTL訊號至轉速轉換電路，並使用三用電表量測轉速轉換電路輸出的電壓值

14、是否正確。其中使用孕龍科技股份有限公司提供之邏輯分析儀來檢測”計數電路”是否正確將脈波訊號轉換為正確之八位元數位訊號。4. PC人機介面與訊號擷取測試：使用波電源功供應器提供05V直流電壓給電腦ADDA介面，檢查電腦是否讀到與輸出正確的電壓值。最後再將四個系統組合起來進行整合系統實機測試，系統整合測試的結果為良好可行。七、結論本專題作品 氣壓馬達控制系統，目前為具有氣壓馬達伺服控制功能之原型機(protype) ，僅證明可以使用 MCU 來進行各項氣壓系統伺服控制之可行性，尚必須進行多項改善才能使該作品具有商業競爭力，未來擬以泛用型HOLTEK MCU BASED 氣壓伺服系統之控制器 / 驅

15、動器為目標進行開發研究並就下列方向進行改善：1.氣動馬達與旋轉編碼器結構一體化設計。2.電子元件間之搭配與電路板layout設計之電子電路性能改善增進。3.HT46R24 驅動器，輸出輸入訊號的解析度目前為8 bit，未來擬朝向12 bit , 16 bit 研究發展。4.HT46R24驅動器主體與輸出、入端子之外型設計必須符合工業機電控制要求，提供更方便簡易的配線、安裝。5.目前 HT46R24驅動器與PC之通訊方式為類比電壓(05V) 輸出輸入型，未來擬研發RS232、 RS485、網路、USB不同通訊方式之驅動器。研究開發更多氣壓馬達伺服控制系統之C語言程式範例，提供工業機電控制設計人員參考。參考文獻1 鍾啟仁，HT46XX 微控制器理論與實務寶典，全華圖書。2 林宗賢，氣壓工程學，文京圖書。3 HT-IDE3000 使用手冊，盛群半導體公司。4 HT46R24 Handbook，盛群半導體公司。5 李仁深