如何提高平面磁懸浮系統定位精度和強健性? 創新滑動模式控制器

110年03月08日

【本篇報導由機電工程系  陳美勇教授研究團隊提供】 　　本研究提出一種新型六自由度的磁浮定位系統，在本論文中都有完整介紹，包括其新式的硬體架構以及有效的控制器設計。本研究所設計之磁浮系統期望達到三大目標：第一，擁有大移動行程的能力（此指公厘的範疇）；第二，精密定位的能力；最後，達到快速反應的需求。在此系統中，共有六個永久磁鐵黏附在可移動的載台上，以及相對應地共有六個電磁鐵安裝在固定的基座上。在進一步從學理上探索永久磁鐵及電磁鐵間的磁力後，即可推導及分析本系統完整的動態模型。再則，由於磁浮系統的先天不穩定現象及系統的種種不確定因素，在此，本研究提出了一個自適應性的滑動模式控制器，為了能確保在定位及追蹤時所有自由度都能保持穩定。同時，為了有比較的基礎，一個傳統的PID控制器也將一並在本研究提出與適應性的滑動模式控制器做性能之比較。最後，從實驗的數據中顯示本研究在創新硬體架構以及有效的控制器設計上皆可以得到令人滿意的實驗結果，包括剛性和精度。   　　自19世紀首次對電磁現象進行系統研究以來，電力機械就應用在許多的領域。旋轉機器一直很容易來構造，並且因為旋轉自由度導致連續或重複的過程，可以通過開環控制來驅動。傳統上，電磁驅動器是旋轉電動機，並且當應用需要做線性運動時，旋轉運動必須通過傳動裝置轉換，這些傳動裝置，例如滾珠循環螺桿，小齒輪和齒條，齒輪皮帶和齒輪箱，然而這些限制了機器的靜態性能和動態性能。但由於線性直接驅動器不存在這些傳輸限制，因此可以提高其定位性能。然而線性直接驅動器可獲得的最大性能將受到負載連接到驅動器的方式的剛性以及控制器特性的限制。為解決此問題，非接觸式之磁浮傳動系統將是一種可行的方式，本研究設計之非接觸式磁浮系統通過在同一平面上產生懸浮力和側向力來實現物體的空間運動，如圖一所示。   圖一：平面式磁浮系統設計概念圖 　　有鑑於磁懸浮系統本質上是天生不穩定的結構，因此要達到本研究的設計需求，控制器的設計是一項重要且必不可少的任務。再者，本研究使用近似擬合曲線構造了磁推力模型，並在一些假設的基礎上推導得出了系統整體在空間中之運動模型，由於存在這些建模誤差，線性化是不完善的，並且線性化系統的參數值會隨著工作點的變化而變化。因此，本研究所開發的穩定控制器應具備足夠的強健性，用以承受這些系統固有的不確定性。作為控制器設計的考慮因素，除了性能之外，實現是要考慮的另一個重要因素，在這項工作中，控制器的概念框架是嘗試混合比例積分微分控制器和滑動平面整合設計，然後將它們的控制屬性一起應用以提高系統穩定性和抗干擾能力。此外，在滑動平面設計中，本研究採用切換概念來改變平面的邊界設定，從而可以充分發揮抗干擾能力，並且在系統穩定的情況下不會引起嚴重的振動。最後，最直觀的問題是存在的奇異點，故本研究也加了投影法則以避免這種情況導致實驗操作失敗。 圖二：實體架構系統圖 圖三：控制器設計運作流程圖   　　最後，一些實驗結果顯示，整合PID和自適應滑模控制器在處理不確定性和雜訊方面具有令人滿意的強健性。由實驗結果顯示，本研究成功地完成了設定的各種目標。綜上所述，增強平面磁浮定位系統的強健性和提高重複精度已經在本研究中成功地付諸實踐，並且有望在未來大範圍地應用發展。   原文出處連結: https://ieeexplore.ieee.org/document/8328837