系统组成设计与配置-精密运动控制试验室.PDF

第三章 系統組成設計與配置 第三章 系統組成設計與配置 本章節將依據第二章理論基礎，發展其本研究目的所需之定位平台架 構，其中包含有運動平台設計、致動器設計與感測器量測架設 …等。 3.1設計流程規劃 本文之研究目的為達成無摩擦力之機構設計，將依據章節 2.1電磁力 原理設計類音圈馬達之電磁制動器裝置，並配合 XYθ的排列方式來驅動平 z 台，以達成三個自由度的運動。且依據章節 2.3 機械能轉換中所探討之原 理，採用撓折式一體成型機構設計方 式，作為定位平台運動過程的主要引 導架構。其本研究定位平台設計結果預計達成下列各項條件 1.高定位精度 2.快速響應 3.結構輕巧簡易 4.適用於無塵室 5.低建構成本 3.2電磁式致動器 3.2.1音圈馬達 音圈馬達原本是被應用於擴音喇叭中，自從 IBM 公司將它運用於磁 碟機讀寫臂的致動裝置之後，其運用範圍也逐漸多樣，至今已經在要求嚴 格的伺服控制系統上廣泛應用。音圈馬達可規類於線性直流馬達 (Linear Direct-current Motor, LDM)的一種，利用永久磁鐵與場磁鐵繞線的組合， -30- 國立臺灣師範大學機電科技學系 第三章 系統組成設計與配置 能夠產生與流經場磁鐵繞線的電流成正比的直 線推力，故音圈馬達也算是 一種可供線性推力的馬達，其音圈馬達具有下列幾項特性： 1. 採用直接驅動的方式，構造簡單、保養容易 2. 不需要配合傳動機構，電能轉換成機械能的效率高 3.可以提供直線推力與高加速度 4. 電子時間常數與機械時間常數較低 5. 響應速度快，適合高頻率的運動 6.能夠設計固定的行程 7. 低噪音、低振動、無摩擦、無磁滯現象 不過由於上述這些平穩且易於控制的特點 ，使得音圈馬達比普通利用 旋轉馬達轉換機械能來得優越，可以適用於位置、速度、推力等伺服控制 模式，同時因為不受背隙與摩擦問題的影響，可得較高精度的定位能力， 行程通常亦可達到釐米 (mm) 等級[39] 。 3.2.2電磁式致動器設計 根據章節 2.1 勞倫茲力(Lorentz’s Force)原理，運用線圈與永久磁鐵配 合將電能轉換成機械能，設計一適合本研究的致動器，其致動器的磁力解 析如下：將單一匝線圈分成四個部份C 、C 、C 、C ，定義通過導線的磁通 1 2 3 4 密度各為B 、B 、B 、B 。根據線圈安排的方式，只有靠近C 、C部份的導線 1 2 3 4 1 3 磁場致動產生作用，所以合理假設 B 、B 為零，如圖 3-1所示。根據章節 2 4 2.1中式 (2-7)可導出以下的方程式 -31- 國立臺灣師範大學機電科技學系 第三章 系統組成設計與配置 dF Idl ×B f ∫df c ∫Idl ×B c Idl ×B + Idl ×B + Idl ×B + I