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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、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。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