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| HT46R24 based氣動馬達轉速控制器設計與製作 |
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MCU創意設計與應用設計（8）
【作者： 林柳絮,林憲陽】 2008年01月14日 星期一
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前言
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：
- ●可以無限制的反覆正逆轉或停止、起動而不會燒毀。
- ●起動或停止時的切換無火花產生，無爆炸之虞。
- ●轉速的選擇範圍大。
- ●受外界環境如濕氣、氣溫、塵埃等因素的影響少。
- ●超負載時馬達停止不會有燒毀之虞。
- ●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，如今也有學者嘗試以現代控制方法與理論來研究開發[1-8]。國內關於氣動馬達伺服控制的研究較少，其中李[7]使用DSP based之模糊控制器進行氣動馬達轉速伺服控制，許[8]採用PC based參考模型適應性控制(model reference adaptive control) 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作為氣動馬達之控制器，較不符合工業成本需求。所以本文嘗試使用HT46R24 AD-Type之微控制器，導入「?MCU平行處理」的觀念，研究開發以微控制器為基礎之氣壓馬達伺服控制用之控制器，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。
氣動馬達之動態模式
氣壓馬達依設計形式可分為活塞式(Piston type)、輪葉式(Vane type)、齒輪式(Gear type)與渦輪式(Turbine type)，在工業應用中以輪葉式氣動馬達為最常被使用，所以本文採用輪葉式氣動馬達進行其動態模式分析與轉速控制測試。
輪葉式氣動馬達動態模式[1-3]整理分析如下，在氣動馬達控制系統中主要由電磁閥與氣動馬達本體構成，由於電磁閥的電磁響應遠快於氣動馬達氣體響應，於此將忽略電磁閥的電磁響應，僅考慮氣動馬達氣體響應。首先考慮氣動馬達入口處壓力變化方程式為(公式一)：
其中， Pi為入口處壓力， Vi為入口處氣室體積， ei與hi為正值常數， ui為電磁閥輸入電壓值， fi為一非線性不連續函數，如下方程式所示(公式二):
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其中， Cp為定壓比熱， Cv為定容比熱， Ti為氣室溫度，Y為k之非線性函數。相同地，氣動馬達出口處壓力變化方程式為(公式四):
由於氣動馬達出入口處之壓力變化，產生氣動馬轉軸旋轉運動，忽略氣壓洩漏因素，氣動馬達轉動動態模式可以推導如下列方程式(公式五):
其中， Jl、Jr分別為負載與轉子轉動慣量， Bl、Bm分別為負載與馬達阻尼， dl、dm分別為轉子與空氣摩擦阻力， Pa為大氣壓力，由以上的分析得知氣動馬達轉動動態模式為一非線性時變函式。
氣動馬達控制系統架構
本文之氣壓馬達轉速控制系統，主要是由氣壓源、空氣調理組、5口3位比例閥(FESTO MPYE-5-1/8)、快速排氣閥(FESTO)、輪葉式氣壓馬達(TONSON V1-L)、旋轉光學編碼器、控制器(內建HT46R24 MCU與轉速轉換電路)、個人電腦及相關運動控制卡(ADLINK 9112 )所構成。其系統架構圖，如(圖一)所示。
「氣壓馬達控制系統」工作原理詳述如下：個人電腦為系統人機界面，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0~5V類比電壓訊號送至控制驅動電路，經控制器內運算放大電路送出0~10V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向運轉，最後經由光學編碼器的量測，送出方波訊號至速度轉換電路經由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控制驅動電路，控制器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(圖二)所示。
HT46R24 Based 控制器電路圖
本文之氣壓馬達伺服控制用控制器，主要是由控制驅動電路與速度轉換電路所構成，分述如下:
控制驅動電路
控制驅動電路是由HT46R24 MCU、數位轉類比電路與運算放大電路所構成，方塊圖如(圖三)所示，電路圖如(圖四)所示。功能分述如下：
- ●HT46R24 MCU：擔任主控制器的任務，判斷手動/自動控制，讀取輸入電壓值，計算轉速並輸出(8 bits)訊號。
- ●DAC電路：採用R-2R Ladder DAC 電路，簡單、穩定，不怕干擾。
- ●放大電路：使用741運算放大器將0~5V電壓放大0~10V，送至比例閥。
速度轉換電路
速度轉換電路，主要是由HT46R24 MCU、數位轉類比電路與脈波計數電路所構成，方塊圖如(圖五)所示，電路圖如(圖六)所示。功能分述如下：
- ●脈波計數電路：使用2個串接74193計數IC電路，來讀取光學旋轉編碼器脈波。
- ●HT46R24 MCU：讀取脈波計數電路送來之計數值，使用HT46R24 MCU之Timer0 以中斷方式產生計數所需之取樣時間(Sampling time)，計算轉速值並輸出對應轉速之電壓值(8 bits)。
- ●DAC電路：採用R-2R Ladder DAC電路，簡單、穩定，不怕干擾。
| 《圖五 速度轉換電路方塊圖》 - BigPic:567x270 |
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| 《圖六 速度轉換電路圖》 - BigPic:592x322 |
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實驗結果
為了測試與驗證本文所提出之HT46R24 Based 控制器之性能與可行性，本文進行下列模擬與實驗。首先選擇比例閥開度60%(8V)之氣動馬達動態為常態系統(nominal plant) ，其轉移函式為(公式六)：
設定系統性能要求為低頻(低於6 rads/sec)穩態誤差小於5%，設定系統性能邊界為(公式七)：
設定系統於低頻有50%的擾動，高頻有200%的擾動，系統不確定上邊界為(公式八)
根據Hinf控制理論[9-10]，使用Matlab軟體演算可獲得滿足強健性能條件之PI控制器(公式九)
並使用此控制器進行數值模擬，(圖七)顯示控制系統之單位步階響應，結果顯示系統穩態誤差均小於5%，安定時間約為0.3秒，顯示系統有良好時域性能。
最後本文將所設計的強健控制器安裝於氣壓馬達轉速控制系統上進行實際測試，分別於不同操作點，輸入訊號1V(1200rpm)、2V(2400rpm) 與3V(3600rpm)，測試結果分別約為1180 rpm、2380 rpm與3510 rpm，呈線性輸出關係並且穩態誤差均小於5%允許範圍內，如(圖八)所示，本文所提出之HT46R24 Based控制器確實可以有效控制氣壓馬達伺服系統並滿足性能要求。
| 《圖七 模擬之步階響應》 - BigPic:560x420 |
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| 《圖八 不同操作點之步階響應》 - BigPic:560x420 |
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結論
本文使用HT46R24 AD-Type 微控制器，導入「?MCU平行處理」的觀念，設計製作以微控制器為基礎之氣壓馬達伺服控制用控制器，並採用強健性控制理論，設計氣動馬達轉速控制法則，進行氣動馬達轉速強健性控制，從實驗的結果與過程中，可得下列結論：
（1）本文所使用的控制方法與硬體電路，在控制精度上，皆可以控制在5%之內，在暫態反應上，大約0.3秒即達安定時間，故具很高控制性能。
（2）本文在氣壓馬達轉速系統上，使用快速排氣閥，增加氣壓馬達轉速，改善氣壓馬達動態性能；此外使用數位壓力錶來監控與調整壓力，避免實驗的誤差，增加實驗的可信度。
（3）使用高性能低價的微控制器構成感測與驅動電路，檢修容易具成本優勢，符合工業需求。
綜合以上所述，證明本文所提之控制方法與硬體之可行性與優越性。
＜作者為德霖技術學院機械工程學系講師、副教授＞
參考文獻
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[2]S. R. Pandian and F. Takemura, Control Performance of an Air Motor, Proceeding of the IEEE Int. Conference on Robtics and Automation, Michigan, pp. 518-524, May 1999.
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[7]李仁森，氣動馬達定速控制，碩士論文，中央大學機械系，2005。
[8]許雲峰，氣動馬達的適應性控制，碩士論文，台灣大學機械系，2006。
[9]J. C. Doyle, B. A. Francis, and A. R. Tannenbaum, Feedback Control Theory, Macmillan Publishing Company, New York, 1992.
[10]Kemin. Zho, Essential of Robust Control, Prentice Hall Publishing Company, New York, 1998.
[11]鍾啟仁,HT46XX微控制器理論與實務寶典,全華科技圖書公司.
[12]HT-IDE3000使用手冊,盛群半導體股份有限公司.
[13]HT46R24規格手冊,盛群半導體股份有限公司.
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