范光照臺灣大學：機械工程學研究所賴子發Lai, Zi-FaZi-FaLai2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61562本研究使用超音波馬達作為致動器，並加以發展能夠達到高精度位移回授的正交訊號解碼技術，以模糊小腦控制器為基礎，對於超音波馬達摩擦力變動的情形下進行智慧型的控制與估測，於DAQ裝置及C語言的架構上發展PC-Based的整合系統，達到奈米定位控制系統的建立。 近年來隨著微、奈米技術的蓬勃發展，在長行程精密定位設備的設計上，因壓電伸致驅動方式難以達到長行程的定位，大多採用長行程粗位移平台與短行程微定位平台組合而成的方式。而研究中所採用的超音波馬達，同時具有長行程的共振模態驅動及精密位移的彎曲模態驅動，可降低因組合長短行程平台所帶來的複雜性及誤差。 本研究首先深入探討超音波馬達的原理及模型，並對超音波馬達的各個驅動模式完成驅動測試及研究驅動現象。對於超音波馬達馬達的變摩擦力特性，使用模糊小腦控制器對各個驅動模式加以進行運動控制，使對於因摩擦力狀況改變使得同樣輸入而得到變異性極大的運動情形，得以達到適當反應、預估、及控制。 另一方面應用雷射繞射光柵干涉儀作為奈米級位移回授元件，並發展正交訊號處理及誤差消除方法。並於系統的概念上建置可各軸延伸使用的系統，以及應用DVD探頭於奈米定位系統延伸研究。The research proposed a positioning system with nano resolution. Utilize ultrasonic motor as the actuator, and develop orthogonal signal decoding method for LDGI (Laser Diffraction Grating Interferometer) as displacement feedback with high accuracy. Based on FCMAC (Fuzzy Cerebellar Model Articulation Controller) control algorithm for controlling and predicting the variation of ultrasonic motor friction driving, establishing PC-Based positioning integral system in with BCB (Borland C++ Builder) software and National Instrument DAQ (Data Acquisition) Device, to achieve the demand of intelligent nano positioning control. In recent years, due to the developing of nano technologies, traditionally piezoelectric device is regarded as actuator in precision positional devices, and the stroke is limited. Therefore it’s generally combined with another long-stroke stage to accomplish high-resolution and long-stroke purpose. However, accompanied assembling and volumetric error will be generated, and the controlling system will become much complicated. In this research the selecting actuator is ultrasonic motor, with resonant state to drive in long-stroke and high-speed, and bending mode to provide acting as piezoelectric actuator to achieve high-resolution. Therefore the long-stroke and high-resolution demand of nano positioning system is achievable with ultrasonic motor. In positioning system developing, introduce the principle of ultrasonic motor and simulating at first. For the several controlling modes to achieving long-stroke and high-resolution positioning, design experiments to observe and realize the phenomenon while driving. For the driving status of friction variation because of friction driving property, design FCMAC controlling algorithm for each modes respectively, to make each friction variation status could get a suitable response, prediction, and control. For displacement feedback, utilize LDGI and developing method to eliminate error of orthogonal signal, and developed positioning system base on class concepts for extension requirements. Furthermore, DVD pick-up head and triggering device design are utilizing for measurement applications.摘要 I Abstract II 目錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XV 第一章 緒論 1 1-1 研究緣起與目的 1 1-2 相關文獻回顧 4 1-3 超音波馬達定位控制系統架構介紹 10 1-4 研究方法與內容概要 11 第二章 超音波馬達之原理與驅動 12 2-1超音波馬達之壓電效應原理介紹 12 2-2-1壓電效應原理介紹 12 2-2-2壓電伸致微動平台介紹 15 2-2超音波馬達種類介紹 16 2-2-1 一般超音波馬達 18 2-2-2 Nanomotion超音波馬達 20 2-2-3 非共振式超音波馬達 22 2-3 超音波馬達HR4之原理介紹 24 2-4 超音波馬達驅動器AB2 Driver介紹 29 2-5 超音波馬達HR4之模型推導 32 2-5-1超音波馬達共振頻率推導 32 2-5-2超音波馬達等效模型建立 35 2-5-3 超音波馬達驅動情形模擬 37 第三章 模糊小腦控制器理論基礎 42 3-1 模糊控制介紹 43 3-2 模糊小腦控制器原理介紹 50 3-3 控制法則應用考量 61 第四章 超音波馬達驅動模式之控制方法研究 63 4-1 定位驅動程序及基本定位方法設計 64 4-1-1 定位系統架構 64 4-1-2 定位驅動程序 65 4-1-3 基本定位方法設計 66 4-1-4 基本定位方法驅動結果 68 4-2 驅動模式運動情形測試 70 4-2-1 AC mode驅動測試 70 4-2-2 Gate mode驅動測試 73 4-2-3 DC mode驅動測試 76 4-3 運動控制設計 83 4-3-1 AC mode運動控制設計 85 4-3-2 Gate mode驅動控制設計 90 4-3-3 DC mode驅動方法擬定 95 4-3-3-1 大範圍使用小腦控制器的DC mode驅動設計 96 4-3-3-1 小範圍具局部線性情形的DC mode驅動設計 97 4-3-3整體控制架構 99 第五章 位移回授正交訊號解碼研究 100 5-1 正交訊號位移感測儀器介紹 100 5-1-1 光學尺 100 5-1-2 雷射干涉儀 102 5-1-3 雷射繞射光柵干涉儀 103 5-2 正交訊號解碼研究 105 5-3 正交訊號解碼設計 112 第六章 DVD探頭主軸量測應用 120 6-1 應用DVD探頭之主軸量測架構設計 121 6-2 DVD非接觸式探頭之原理 122 6-3 主軸DVD量測探頭軟硬體系統說明 126 第七章 系統整合與周邊裝置設計 130 7-1 系統整合設計與驅動程式規劃 130 7-2 觸發裝置設計 136 7-3 硬體規劃及感測電路設計 139 第八章 實驗結果 142 8-1 正交訊號解碼與精度校正結果 142 8-1-1 LDGI正交訊號解碼及精度測試 143 8-1-2 Renishaw光學尺正交訊號誤差消除實驗 145 8-2 超音波馬達控制法則應用驅動結果 148 8-2-1 AC mode驅動控制結果 149 8-2-2 Gate mode驅動控制結果 153 8-2-6 DC mode驅動控制結果 160 8-2-4 三種模式驅動整體定位結果 171 8-3 DVD探頭探頭量測結果 174 第九章結論與未來展望 179 9-1 結論 179 9-2 討論 180 9-3 未來展望 181 參考文獻 183 附錄 191 A 雷射繞射光柵干涉儀原理 191 B 感測電路設計及硬體規劃 1963247875 bytesapplication/pdfen-US超音波馬達模糊小腦控制器雷射繞射光柵干涉儀DVD量測探頭Ultrasonic motorFCMACLDGIDVD pick-up headthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61562/1/ntu-94-R93522709-1.pdf