马达定位与转速控制

馬達定位與轉速控制

(Motor Position and Velocity Control)

指導教授：謝建興

專題學員：黃瑋弘

林鼎皓

摘要

近年來控制學門在機械工程的應用領域扮演著愈來愈重要的角色，如自動化機械、機器人、無人搬運車、彈性製造系統以及生物醫學系統等。但即使是高度電子化的機械，為了達成搬運物品或加工，等等的目標，到了最後仍免不了要有一些機械性的動作，因此諸如馬達這一類的引動器(actuator)已是一般工業界所不可缺少。假若我們能用一簡單的控制系統，能有效的控制馬達能量的轉換、改變轉速力矩的大小、旋轉的方向等等，如此；不但大大減低工作人員工作的危險性，同時更提昇了工作的效率及簡便性。在建構整個馬達控制的過程裡，首先我們使用一些簡單的電子元件設計出控制所需要的正反轉電路，接著我們結合傳統PID控制觀念以及回授控制觀念，經過不斷的分析、調整以及改良，找出最佳化的馬達定位控制(Position Control)與馬達轉速控制(Velocity Control)(誤差：每分鐘正負1圈)。

一、前言

由於微電腦進步神速，1972年，八位元之微處理器；1974年，16位元的微處理器也相繼出現於市場上，故機械方面之控制技術也隨之發達。處於此類的情況下，使得馬達的控制領域，也趨向於微電腦化。

由微電腦與精密IC為核心所製造出來的控制迴路或控制器，也為馬達方面的控制領域帶來了很大衝擊，使得許許多多傳統上認為不可能實現的且複雜的控制便得輕而易舉。

二、馬達控制理論

一般，執行馬達的控制時，除結構簡單者外，大多尚需利用伺服控制。尤其需要既快速，又精準度高的控制特性時，伺服技術更是不可或缺的。此處所出現的伺服技術一詞，乃是指構成控制系統所釐定的目標值。而使之與控制量經常保持一致時所須知一系列的控制系統而言。一般來說稱為回授控制。

回授控制的基本結構，即如圖1所示，簡單說明時，所謂控制對象乃指授控制設備而言，此即相當於馬達。其次則為控制部位，此部位不僅可執行偏差訊號的放大，改善整體系統的特性，間能做為相位補償。再次，則為檢測部分，此乃屬於可作為控制量之感測的一種感測器(Sensor)[1]。

圖1 回受控制結構

一般而言，馬達回受系統的控制可分為下列幾種：

(1)位移回授控制(Position Feedback Control)

位移回授就是將馬達的位移角度輸出，經由位移伺服器(Positional servomechanism)或位移計(Potentiometer)量測後，再回授控制。

(2)速度回授控制(Velocity Feedback Control)

速度回授控制就是將馬達的角速度經由轉速計(Tachometer)量測後再回授控制。其基本架構

可分別為用與比較速度指令與實際速度之間的差異，並將其速度增加或減少的訊號轉換成高功率輸出的類比訊號輸出至馬達。

(3) 位移—速度回授控制(Position and Velocity

Feedback Control)

將位移及速度分別由位移計及轉速計回授做控制，稱為伺服系統的位移—速度回授控制。通常位移回授亦可用所謂的Encoder 做測量器。使用Encoder 的優點是馬達的速度值亦可用Encoder 的資料計算兒得，換言之，使用Encoder 便可同時達到位移及速度回授的控制[2]。

三、實驗製作過程

3.1系統各電子元件功能 3.1.1直流馬達(DC motor)

這是一種用途最為廣泛的馬達，他外部以直流電源為動力來源，而內部則以整流子(Commutator)及探刷傳導電流，這種馬達最適用於需要變速的用途，因為我們只要改變外加直流電的電壓及極性，即可改變其速度及轉向。 3.1.2電晶體(Transistor)

電晶體是一種半導體元件，他由三個N 與P 型半導體材料所構成，外型上有三個接腳，分別是射極(Emitter)，基極(Base)與集極(Collector)。電晶體最主要的功能是放大電流訊號，當基極到射極之間有微量電流導通時，會觸發集極到射極之間的大電流。 3.1.3繼電器(Relay)

繼電器也是一種電門，但與一般開關不同，繼電器並非以機械方式控制，而是一種以電磁力來控制切換方向的電門。圖2為正反轉控制電路圖[3]。

3.1.4 PCL-812PG 介面卡設定說明

微電腦只會處理數字，所以，如果它所控制的引動器(actuator)，或它所賴以收集情報的感測器(sensor)等等都是數位化機械的話，那當然是最 方便不過的了。但有時，感測器所送來的訊號非為類比(analog)量不可時，那麼數位與類比的轉換 就勢在必行了。這時，A/D 轉換器(Analog to Digital Converter)或D/A 轉換器(Digital to Analog Converter)便成為不可或缺的商品了，而ADDA 卡就具有這些功能。本實驗使用的ADDA 介面卡是由研華科技所生產的PCL-812PG 介面卡（12位元，以下簡稱812卡。 3.1.5光感測器(Sensor)

EE-SPY402為一自動感測器，本身即為發射及接收共體，可以接收到從發射源所射出的光源照在待測物所反射回來的光線，以判別ON/OFF ，是屬於讀取資料的直流感測器(DC Sensor)一種，使用電壓12~24V ，內電阻1.7K Ω。

3.2電路設計製作過程

一般來說馬達的控制不外乎為定位控制與轉速控制，但是我們要怎樣控制馬達呢?在此我們利用微電腦、介面卡以及一些簡單的電子元件所設計出來的電路來達成我們控制的目的，因此在設計之前我們必須先了解它們之間的關係，如圖3所示。

圖3 微電腦、介面卡、馬達之關係

在了解它們之間的關係後，接著就要開始設計控制電路，我們知道要控制馬達定位與轉速，必須要先能控制馬達，使馬達能正轉、反轉、加

速、減速等等；首先我們使用812卡上Connector