气压马达伺服控制器设计与制作

MCUBased氣壓馬達伺服控制器設計與製作組員：吳健輔、曾筱蕙、黃堂榮德霖技術學院機械工程系日四技0942指導老師：林柳絮老師摘要氣動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。所以本專題嘗試使用凌陽科技公司之SPCE61晶片，研究開發以16位元單晶片為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討SPCE61晶片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，給予適時的鼓勵與建議，使我們學到遇到困難就必須努力解決，且對氣動馬達有更進一步的了解。一、創作動機與目的目前國內關於氣動馬達伺服控制的研究較少，其中李[9]使用DSPbased之模糊控制器進行氣動馬達轉速伺服控制，許[10]採用參考模型適應性控制(modelreferenceadaptivecontrol)進行氣動馬達轉速伺服控制。上述研究分別採用價格昂貴之DSP與PC作為氣動馬達控制器之硬體，同時其控制器法則通常為複雜結構(complexstructure)與需複雜演算不易安裝於一般之工業控制器內。所以本研究以實際工業控制應用為考量，嘗試使用凌陽科技公司之SPCE61晶片，研究開發以16位元單晶片為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討SPCE61晶片於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。所以本專題製作以實際商品研發為目標，研究開發氣動馬達精密伺服控制系統，其中包括：1.氣動伺服馬達設計與製作。2.以SPCE61晶片為基礎之氣動馬達伺服控制器設計與製作。3.氣動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1)所示。二、工作原理本專題『SPCE061ABased氣動馬達轉速伺服控制器』，主要是由氣壓源、空氣調理組、5口3位比例閥(FESTOMPYE-5-1/8)、快速排氣閥(FESTOMPYE-5-1/8)、輪葉式氣壓馬達(TONSONV1-L)、光學旋轉編碼器(HTR-W-圖一氣壓與電氣馬達伺服控制系統對應比較500)、伺服控制器(核心為SPCE061A晶片)、個人電腦及相關運動控制卡所構成。其系統架構圖，如(圖2)所示。圖二氣壓馬達精密伺服控制系統架構圖其工作原理(SPCE061ABased閉路控制)詳述如下：使用者使用調速旋鈕(VR1)設定之氣動馬達轉速值，SPCE061ABased伺服控制器計算相對應之控制量，經伺服控制器內運算放大電路送出0~5V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動馬達之流量，使氣動馬達按照期望之轉速運轉，最後經由光學編碼器的量測送出方波訊號至速度轉換器轉換為類比電壓訊號0~3V傳輸至伺服控制器，伺服控制器根據此回授轉速值與內建控制法則(controllaw)，調整輸出類比電壓訊號進而達到氣動馬達轉速閉迴路控制。其中位於氣動馬達出入口之2只快速排氣閥，其功能是使氣動馬達排氣不再經由5/3氣壓比例閥排氣，而是經由快速排氣閥較大口徑排氣口排氣，由於氣動馬達排氣是經由最短路徑排放，阻力最小，氣動馬達背壓減小，因此氣動馬達轉速大幅增加。氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖，如圖3所示。本專題『SPCE061ABased氣動馬達轉速伺服控制器』控制方塊圖，如(圖3)所示。本專題SPCE061ABased伺服控制器之控制法則採用可變結構比例控制，控制器根據轉速誤差修正控制器Gain值與輸出量，當轉速誤差大時伺服控制器有較大之Gain值，可使系統反應加快，當轉速誤差小時伺服控制器有較小之Gain值，可使系統反應平穩與消除轉速誤差，其關係式為:U(n+1)=U(n)+kp(E)*E其中，U為控制器輸出量，kp為比例函數值，E為轉速誤差。圖三氣壓馬達轉速閉迴路控制方塊圖三、作品功能、特色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。其中氣動馬達(airmotor)與電氣馬達相較，氣動馬達有如下特性：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。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密伺服控制，如今也可以來研究開發。四、設計方式本專題將專題作品分成氣壓馬達系統、驅動電路、七段顯示器電路與SPCE061A晶片四個部份：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：主要是由SPCE061A晶片與運算放大電路所構成，方塊圖如(圖4)所示。SPCE061A晶片：擔任主控制器的任務，根據功能選擇開關輸入(1組4連動開關)，讀取輸入電壓值(ADC1~4)，進行不同功能氣動馬達控制。放大電路：使用741運算放大器將0~3V電壓放大0~5V，送至比例閥。圖4控制驅動電路方塊圖3.七段顯示器電路部份：主要是由SPCE061A晶片、與一組4位7段顯示器電路所構成，方塊圖如圖5所示。其工作原理詳述如下：因本氣動馬達最大轉速為6000rpm，所以採用一組4位7段顯示器來顯示轉速，此7段顯示器之8bit資料匯流排與IOB[0~7]連接，4bit控制匯流排與IOB[8~11]連接，SPCE061A晶片讀取速度轉換器送來之電壓並計算相對應之轉速，採用掃描方式顯示轉速。圖5速度顯示器電路方塊圖五、測試方式本專題將專題作品分成氣壓馬達系統、驅動電路、七段顯示器電路與SPCE061A晶片部份進行個別實機測試，最後再將四個系統組合起來進行整合系統實機測試。1.氣動馬達系統組裝與測試：將氣壓元件組裝配置完成如圖7所示，氣體壓力設定為4bar，由電源功供應器提供0~5V直流電壓給5/3比例控制閥，改變氣體流量，量測氣壓馬達的轉速特性。2.速度轉換器較正與測試：使用波形產生器產生不同頻率之方波給轉速轉換器(FrequencytoAnalogConverter)，搭配數位示波器與三用電表觀察其波形頻率與輸出電壓，校正設定轉速轉換器輸出為2000rpm/Volt，如(圖8)所示。圖7氣動馬達系統組裝配置圖圖8速度轉換器較正與測試3.電路板測試：本專題作品電路主要為下列三項不同功能電路如圖9所示，搭配SPCE061A晶片所組成，分述如下，各項測試顯示於圖11~14，A.電源供應電路:使用78012IC與7805IC提供電路所需之正負12V與正5電壓。B.電壓放大電路:使用OP741IC將0~3V電壓放大0~5V以驅動比例閥。C.七段顯示器驅動電路:使用9012電晶体驅動4合1七段顯示器。D.顯示器與旋鈕開關:包括一個4合1七段顯示器，兩個可變電組旋鈕，一個4連動開關，如(圖10)所示。圖9電路板圖10顯示器與旋鈕開關圖11七段顯示器功能測試圖12電壓放大電路測試圖13電路功能整合測試圖14系統功能整合測試六、結論目前市面上並沒有關於『氣動馬達精密伺服控制』整體解決方案(Totalsolution)，包括：氣壓系統、電控系統與控制法則，其中尤其以具有高性能、低價格之單晶片為核心的電控系統開發，更為『氣壓馬達精密伺服控制』整體解決方案之重要關鍵。所以本專題對『氣壓馬達精密伺服控制』整體解決方案具有創新性。氣壓馬達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，但受限於氣壓馬達精密伺服控制技術尚未完備成熟，所以目前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，所以本專題的開發將提升與擴展氣壓馬達應用層面與領域，將使氣壓馬達更具實用性與市場競爭力。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整體解決方案(Totalsolution)，其中包括：1.氣壓伺服馬達設計與製作。2.以SPCE61晶片為基礎之氣壓馬達伺服控制器設計與製作。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。本專題將一般傳統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，同時提升與擴展其應用層面與領域，將使氣壓馬達更具市場競爭力。參考文獻[1]J.J.Shearer,ContinuousControlofMotionwithCompressedAir,Scd,Thesis,MassachusettsInstituteofTechnology,1954.[2]J.J.Shearer,TheStudyofPneumaticProcessintheContinuousControlofMotionwithCompressedAir-I”,ASMETrans.,pp.233-242,1965.[3]S.R.PandianandM.Hanmandlu,ModelingandControlofaPneumaticRotaryActuator,ProceedingofInt.WorkshoponPowerTransmissionandMotionControl,PTMC’98,Bath,pp.363-377,1998.[4]S.R.PandianandF.Takemura,ControlPerformanceofanAirMotor,ProceedingoftheIEEEInt.ConferenceonRoboticsandAutomation,Michigan,pp.518-524,May1999.[5]F.Takemura,S.R.PandianandY.Nagase,ControlofaHybridPneumatic/ElectricMotor,ProceedingoftheIEEE/RSJInt.ConferenceonIntelligentRobotsandSystem,pp.209-214,2000.[6]J.Wang,J.Pu,C.B.WongandP.R.Moore,RobustServoMotionControlofAirMotorSystems,ProceedingofUKACCInt.ConferenceonControl,pp.90-95,1996.[7]R.Marumo,M.O.Tokhi,Neural-ModelReferenceControlofanairMotor,IEEEAFRICON,pp.467-472,2004.[8]R.Marumo,M.O.Tokhi,IntelligentModeling