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精益求精的線性馬達同步控制

在使用龍門式平臺(gantry)機械時,若要移動物品,得把物品的兩端以兩個線性馬達同步運行去帶動。若要物品平穩移動、製程精準,則需要讓這兩個線性馬達能夠完全同步。
 
 
 
精密機械產業是國家工業化程度的一個指標,也是許多工業發展的基礎。臺灣中部有非常密集的精密機械聚落,從研發、製造到加工,上中下游各式工廠應有盡有。臺灣的面板顯示器、生醫材料等產業,就是在這樣的基礎上才有機會發展。

中央大學電機系林法正講座教授注意到機械製程與量測有個很基礎性的問題,即在使用一種類似拱門平放的龍門式平臺(gantry)機械時,若要移動物品,得把物品的兩端以兩個線性馬達同步運行去帶動。若要物品平穩移動、製程精準,則需要讓這兩個線性馬達能夠完全同步,否則機械運作不順暢,製程與測量的誤差也會增大。

然而要讓兩個馬達「同步控制」的工作一直無法做好,不只國內廠商沒辦法解決,國外大廠也只能達到某個限度,因此製程與量測的精度會有瓶頸。林教授和他的研究團隊看到國外大廠在這方面投入相當多的研發精力,而國內的廠商多是中小企業,研發能量無法與其競爭,因此希望能協助國內廠商解決這個問題。

傳統上讓兩個線性馬達同動的方式,是以加個線性或非線性的補償控制器來調整。林教授的研究團隊提出幾個方式來提升精度,一個是利用Sugeno型模糊類神經網路控制器來線上補償由二軸不匹配所造成的同動誤差,這種演算法可以決定模糊規則的前提及推論的參數,因此具有自我學習的能力,可達到精密定位的目的。

之後,林教授繼續提出一個具有交叉耦合控制的數學方法,考慮不同方向加速度的相乘效應,並克服這方面的影響後,就可提高精度,減少誤差。最後,林教授再加上Lyapunov穩定理論所推導出的自適應性法則,甚至可以考慮到外來干擾或摩擦力,而能適當回應讓系統漸進穩定。林教授用這3種方式讓整體控制系統設計比傳統機器的控制更有智慧,可以自我組織、自我學習,配合環境即時調整,提升了控制系統的精確度。

這技術對一個25 mm的行程精密加工,同動控制誤差可以從10 μm降到3 μm。
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