龍門式定位平台之同動控制系統設計

113年11月10日

【本篇報導由電機工程學系  陳瑄易教授研究團隊提供】 　　龍門式定位平台是一種精密的X-Y運動控制系統，其主要由一組平行滑軌、一個垂直於滑軌之橫梁與三部馬達所組成。受到平行滑軌與橫梁的物理連接限制，兩個平行馬達必須有妥適的同步運動控制策略，以確保各軸協調運動並避免機械設備損壞。基於此需求，本研究之目的即為提出一套控制系統，用於實現龍門平台之同步控制目標。本方法之概念主要是將平行馬達與橫梁之三軸馬達位移量轉換為橫梁上之動子運動量，當兩組平行滑軌上之滑塊不同步時，橫梁上之動子將產生旋轉角度。因此，若能控制該角度為零，亦即等同於達到雙軸同動之效果。為達到此目標，本研究設計了一種新的分數階動態表面控制方法。首先，利用分數階低通濾波器為現有的動態表面控制方法提供額外參數的自由度。接著，由於難以掌握系統的不確定性，因此進一步設計一種樹突神經元模型觀測器來識別系統不確定性，同時設計了一個指數補償器來補償觀測誤差。經實驗結果證實，相較於傳統的動態面控制方法，本研究所提出的自適應分數階動態面控制系統，在龍門平台的三軸的定位控制與平行軸的同動控制能有更優異的控制效果。    　　龍門（Gantry）平台主要由一組平行線性滑軌與一個垂直於滑軌之橫梁所組成如圖一所示。平行滑軌固定在基座上，並分別搭載一部由線性永磁同步馬達（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, PMLSM）所帶動之滑塊（Slider）。當兩組滑塊同步運動時，連接兩組滑塊的橫梁即可沿著滑軌進行X方向運動。另一方面，橫梁上配置由另一個PMLSM所帶動之動子（Mover），可沿著該橫梁進行Y方向運動。基於此三軸驅動模式，龍門平台能夠提供更大的推力，以實現具有更高加速度與負載能力之操控性能。透過對各軸位移之回授，亦能實現高精確度和高重複性之控制精度，目前已廣泛應用於如光學檢測、機密製造與物流倉儲等領域。 　　由於龍門平台中的平行馬達具有實際的物理連接，兩部馬達必須同步運動，以確保各軸之間的協調運動。儘管兩部馬達使用相同的電氣規格，但由於不平衡的推力、負載差異、組裝誤差、摩擦力和其它各種干擾，馬達間的非同步運動仍然會發生，造成運動精度和系統可靠性降低，甚至因使橫梁出現旋轉角度和扭力，進而導致平台結構與機械部件損壞。因此，將同步位置誤差減少到可接受的範圍甚至完全去除，是龍門平台的首要控制目標。 　　倒階（Backstepping）控制是一種控制系統設計方法，通常用於解決非線性和多變量系統的控制問題。然而，倒階控制設計過程中對虛擬輸入的重複微分將產生「項數爆炸（Explosion of Terms）問題」，亦即當系統的控制目標需要多次微分時，控制器的複雜度將急劇增加變得難以實現。而在多次微分過程中，亦容易放大系統雜訊，導致控制性能下降。所幸動態面控制（Dynamic Surface Control, DSC）策略透過引入一個低通濾波器可以巧妙地解決此問題。然而，在設計DSC系統之前，需掌握詳細的受控體數學模型，否則系統參數變化和外部雜訊干擾均會導致DSC系統不穩定。為了解決這個問題，許多學者亦研究如何以適應性和智慧型策略提高DSC系統的強健性（Robustness）。 　　基於上述的控制目標與啟發，本研究設計一套全新的自適應分數階動態面控制（Adaptive Fraction-Order Dynamic Surface Control, AFODSC）系統用於解決龍門平台的同動控制問題，主要貢獻在於：(1)提出一個新的分數階低通濾波器，為現有的DSC控制方法提供了額外的參數選擇自由度；(2)利用座標轉換技術，將如圖二所示之三軸馬達位移量（x1, x2, y）轉換為動子運動量（x, δ, y）。透過這樣的轉換，可同時實現三軸的定位控制與平行軸的同動控制，進而提高系統整體的穩定度與精度；(3)設計一套基於如圖三所示之樹突神經元模型（Dendritic Neuron Model, DNM）觀測器，用於觀測系統的不確定性；(4)設計一套指數補償機制，可動態消除不確定性觀測誤差。經各種實驗證實，相較於傳統的DSC策略，AFODSC系統確實可大幅提升各軸定位精度與雙軸同動效果，對於後續龍門平台之實際應用有顯著之效益。   圖一：龍門式平台   圖二：龍門式平台幾何關係   圖三：樹突神經元模型     原文出處： Chen, S. Y., & Shen, Z. Y. (2022). Synchronous Position Control of Gantry Table Using Adaptive Fraction-Order Dynamic Surface Control With Dendritic Neuron Model. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,27(6), 4908-4919. https://doi.org/10.1109/TMECH.2022.3166538 

以群眾外包（crowdsourcing）的概念利用多無人機支援搜救行動的開放協作平台

113年11月10日

【本篇報導由資訊工程學系  賀耀華副教授研究團隊提供】 　　近年來，氣候相關的自然災害已經影響了成千上萬人的生活。而全球暖化導致氣溫升高和乾燥的環境，這增加了大規模野火的風險。在大規模的災害中，野火搜救（Search and Rescue, SAR）行動極其困難，原因包含低能見度、呼吸困難以及火災和煙霧的高溫。無人飛機（Unmanned aerial vehicles, UAVs）已廣泛被用來支援這類的搜救行動中。在研究團隊先前的工作中，提出了一個叫做Krypto概念，該模組透過「嗅探」手機的無線信號，以定位任何可能的倖存者。而隨著無人機的普及，大眾有可能使用自己的無人機參與搜救行動。本研究提出了一個開放協作平台，以協助多架無人機參與搜救行動。這個平台開放並管理著攜帶Krypto裝置的不同搜索無人機，通過共享信息和規劃搜索路徑和區域來協同合作。利用這個開放協作平台，任何人都可以參與搜救行動，為尋找可能的倖存者做出貢獻。這項工作的創新之處在於平台的開放性和協作性，在大規模災害中的搜索行動以群眾外包（crowdsourcing）的概念，互相分享信息並幫助尋找可能的倖存者。本研究顯示，開放協作平台有效地減少了所需的無人機數量和尋找倖存者的搜索時間。   　　近年來，由於氣候變化，災難性自然災害的數量逐年增加。全球暖化導致異常高溫與乾燥的環境，增加了大規模野火的風險。根據災害流行病學研究中心（Centre for Research on the Epidemiology of Disasters, CRED）的資料顯示，在2020年，美國因為破紀錄的暴風雨和野火而造成的總經濟損失占了53％。此外，美國西海岸大規模的野火造成了100億美元的經濟損失，超過30人喪生，燒毀的土地超過400萬英畝。在2021年夏季，土耳其、希臘、義大利和西班牙的野火造成8人死亡，數百人撤離。 　　根據世界衛生組織的資料，野火導致空氣品質惡化，並對農作物、資源、動物和人們的財產等造成損失。此外，這些災害中斷了交通、通信、電力、天然氣以及供水系統。除了生命和財產的巨大威脅外，大多數自然災害還有一個共同點，即它們幾乎立即中斷對外通信的能力。在通信系統癱瘓的情況下，受害者很難尋求幫助並通報他們自身的位置。其次，在大規模災害區域進行搜救（SAR）行動時，尋找受害者變得極具挑戰。尤其像野火災害通常伴隨低能見度、極為險峻、難以接近等問題。 　　無人飛機（UAVs）是提供對遠程感測和監視操作（如SAR操作）支援的良好選擇，其具有低運營成本、快速部署和靈活機動性。自2005年卡特里娜颶風以後，無人機就一直被用來支援搜救任務。然而，濃煙或高溫環境造成的低能見度，從而削弱基於視覺或熱顯像儀技術的無人機在SAR行動中的效果；此外，這些操作通常持續到夜間，使得仰賴視覺的SAR任務變得更加困難。 　　在研究團隊先前的工作中，提出了一個以超人漫畫書中的超級狗氪普托（Krypto）命名的概念，將這套系統用於飛行中的無人機並透過「嗅探」來自任何移動設備的無線信號來定位倖存者。Krypto模塊是一個低成本模塊（100美元或更少），其硬件組成包括Raspberry PI、兩個Wi-Fi卡、GPS Dongle和便攜式充電器。Krypto的源代碼是開源的，可以下載並安裝到Raspberry PI中。通過使用現有感應設備信息的API連接到無人機上的Krypto模塊來定位倖存者，模塊可以快速擴展像是添加其他感應設備（例如攝影鏡頭、熱感應攝影機等）。Krypto裝置結合無人機（如圖1）能夠有效地巡邏和感測大範圍的災區，以協助SAR行動。 圖1：Krypto模組在不同無人機上   　　近年來，根據聯邦航空管理局（FAA）的數據，無人機的普及達到了新的高度。到2022年，已有超過31萬架商業無人機和53萬架娛樂無人機在該機構註冊。無人機市場持續以快速的速度增長。雖然並非所有無人機都能參與SAR行動，但其中許多無人機具有協助SAR操作所需的硬體和軟體功能。結合Krypto裝置，任何擁有無人機的人都可以參與SAR行動，通過定位倖存者對搜救做出貢獻。 　　本研究提出了一個開放協作平台，以協助多架無人機參與搜救操作（如圖2）。這個平台開放並管理著攜帶Krypto裝置的不同搜索無人機，通過共享信息和規劃搜索路徑或區域來協同合作。利用這個開放協作平台，任何人都可以參與搜救任務，為尋找可能的倖存者做出貢獻。這項工作的創新之處在於平台的開放性和協作性，以群眾外包（crowdsourcing）的概念，使大規模災害中的搜索行動能互相分享信息並共同幫助尋找可能的倖存者。本研究顯示，開放協作平台有效地減少了所需的無人機數量和尋找倖存者的搜索時間。 圖2：Krypto 模組的架構。(a)上傳無人機到平台；(b)上傳受害者的估計位置到平台；(c)可從平台下載搜索路徑。   原文出處： Ho, Y. H., & Tsai, Y. J. (2022). Open Collaborative Platform for Multi-Drones to Support Search and Rescue Operations. Drones, 6(5). https://doi.org/10.3390/drones6050132 Ho, Y. H., Chen, Y-R, & Chen, L-J. (2015). Krypto: Assisting Search and Rescue Operations using Wi-Fi Signal with UAV. ACM International Workshop on Micro Aerial Vehicle Networks, Systems, and Applications for Civilian Use (DroNet'15, in conjunction with ACM Sigmobile MobiSys'15), Florence, Italy, 2015. https://dl.acm.org/doi/10.1145/2750675.2750684

汽車空調系統換裝碳氫冷媒性能評估

113年11月10日

【本篇報導由車輛與能源工程學士學位學程  鄧敦平教授研究團隊提供】 　　在本研究選擇碳氫化合物（R600a和HR12）去評估作為R134a汽車空調（MAC）直接換裝之後的性能和可行性。MAC性能測試是在固定的室內條件（27°C/50% RH）和室外環境溫度（Toa=35°C）下進行以確定碳氫化合物的最佳充填量和可用性。研究結果顯示，HR12的最佳充填量為R134a的45%（247.5g），其冷氣能力（Qc）、除濕能力（DH）和能源效率比（EER）均顯著優於R134a和R600a。因此，HR12比R600a更適合取代R134a。就Toa變化對MAC性能的影響方面，在Toa為30℃時，MAC所使用的HR12的Qc、DH和EER分別比R134a高5.96%、6.62%和81.02%。MAC中使用的HR12和R134a在Toa為40°C時的Qc、DH和EER差異分別為1.02%、7.59%和-9.79%。結果顯示，40℃的Toa會導致HR12的EER大幅下降，這主要是由於MAC壓縮機驅動馬達的消耗電功率增加。然而，在本研究的Toa範圍（30-40℃）內，HR12的Qc和DH仍高於R134a，顯示HR12確實適合作為MAC中R134a的直接替代冷媒。   　　過去，大多數小型汽車空調（MAC）氯氟烴（CFC）R12已被氫氟烴（HFC）R134a取代。然而R134a仍然具有非常高的全球暖化潛勢（GWP）並加劇全球暖化問題。《蒙特婁議定書》於2016年通過了《基加利協議》，將HFCs納入管制物質並設定了家用冰箱，以及歐盟（含氟氣體法規）、美國（SNAP）和日本都為其使用制定了明確的監管時間表。歐盟於2017年禁止在MAC中使用R134a。美國計劃禁止2021年在MAC使用R134a。日本定於2023年禁止在MAC中使用R134a。上述規範均限制未來替代冷媒的GWP上限設定為150。根據臺灣交通部（MOTC）統計，2021年12月臺灣汽車總數為8,330,774輛，其中大部分汽車的空調系統仍使用R134a冷媒。因此除了開發未來新車要使用的新冷媒之外，開發現有汽車空調可直接換裝的替代冷媒也是重要的課題。目前全球在新車的汽車冷氣主要是使用R1234yf（HFO）、CO2以及碳氫（HC）冷媒。在現有MAC直接換裝研究方面則主要採用R1234yf、R152a（HCFs）以及碳氫（HCs）冷媒。碳氫冷媒具有極低的GWP（<20）以及極高的蒸發潛熱為本研究所關注。 　　本研究將使用圖一位於本校工教系的汽車空調設備進行新冷媒換裝測試，針對R134a、R600a以及HR12（R600a: R290=1:1, w/w）等三種冷媒進行測試。在最佳充填量測試時發現R600a的冷氣出風溫度太高不適合做為空調使用而剔除。最後選定HR12做為替代R134a冷媒的換裝冷媒，並在固定室內條件（27°C/50% RH）與不同外氣環境溫度（Toa=30°C、35°C以及40°C）之下進行空調機性能測試。 圖一：MAC實驗系統示意圖。   　　研究結果如圖二顯示，在不同外氣環境溫度（Toa）下使用R134a和HR12的MAC的COP以及HR12與R134a的COP差異百分率（DPCOP）。MAC使用R134a和HR12的COP皆隨著Toa的增加而降低，且當Toa為40℃時，HR12的COP略低於R134a。顯示HR12在高環境溫度的情況下，冷凍系統的系統性能會較差。MAC中HR12和R134a在Toa為30、35和40°C時的COP差異分別為25.67%、22.18%和-3.38%。 　　圖三顯示了在不同Toa下使用R134a和HR12的MAC的消耗電功率（Pe）和能源效率比（EER）。R134a和HR12的Pe隨著Toa的增加而增加，但EER隨著Toa的增加而減少。HR12在Toa為40°C時的PH和Tcond,sat高於R134a，導致Pe高於R134a。MAC中HR12和R134a在Toa為30、35和40°C時的Pe差異分別為-41.47%、-38.67%和12.02%。在Toa為40°C的MAC中，HR12與R134a相比Pe的增加率高於HR12與R134a相比Qc的增加率，導致HR12的EER較低。MAC與R134a在Toa為40°C時的比較。MAC中HR12和R134a在Toa為30、35和40°C時的EER差異分別為81.02%、72.17%和-9.79%。   圖二：MAC使用R134a和HR12在不同Toa下的COP和DPCOP。   圖三：MAC使用R134a和HR12在不同Toa下的Pe和EER。   　　相關研究結果顯示HR12在高環境溫度的情況之下，其性能表現會下降。因此針對HR12使用時應強化冷凝器的散熱性能以維持高性能運轉的優勢。然而，使用HR12碳氫冷媒在絕大多數的環境條件之下，除了能夠有效地提升汽車空調機的性能與運轉效率之外，其極低的GWP符合國際環保的要求，對於節能減碳應有極佳的助益。   原文出處：Hsieh, H. K., & Teng, T. P. (2022). Retrofit assessment of automobile air conditioners using hydrocarbon refrigerants. Applied Thermal Engineering, 214, 118781. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118781 

新型高效能二極點與二零點（TPTZ）數位補償控制策略應用於電動車充電系統

113年11月10日

【本篇報導由車輛與能源工程學士學位學程  劉華棟助理教授研究團隊提供】 　　本研究提出了電動車鋰電池充電系統的1 kW電力轉換器。其架構具有二個轉換器，分別為交錯式升壓功率因數修正器（PFC）與全橋相移轉換器（FBPS）。本次提出新型高效能二極點與二零點（TPTZ）數位補償控制策略是同時參考電壓與電流回授訊號進行補償，不同於傳統的一極一零補償控制，所提出方法有效控制增益頻寬（fc）和相位裕度（PM），提升系統穩定度與性能。本研究以MATLAB模擬驗證了充電系統的穩定性，並將所提出1 kW電動車鋰電池充電系統進行25%、50%與100%負載試驗，效率可達95%，優於傳統定電壓與定電流充電模式。此外，本研究提出二極點與二零點數位補償控制策略的電池充電系統，不僅提高了系統性能，還縮小了電路尺寸，適合電動車中的鋰電池充電。   　　本研究所提出1 kW電動車鋰電池充電系統架構圖（如圖1）。其中，具有交錯式升壓功率因數修正器與全橋相移轉換器，並分別由功率因數修正器控制器（PFC controller）與二極點與二零點數位補償控制器（Full-bridge phase shift controller）進行操作，以利系統具有高效能，提供鋰電池充電。 圖1：所提出電動車鋰電池充電系統架構圖 圖2：全橋相移轉換器數位控制方塊圖   　　而圖2所示則為本研究之全橋相移轉換器數位控制方塊圖。透過電壓[Vo(t)]與電流[Io(t)]回授訊號，送至數位控制控制器，進行二極點與二零點補償控制讓系統達到高效能。    圖3：全橋相移轉換器增益曲線和相位曲線的波特圖(a)無任何補償控制、(b)TPTZ補償控制。   　　全橋相移轉換器增益曲線和相位曲線的波特圖如圖3所顯示，(a)為無任何補償控制，(b)為二極點與二零點補償控制。圖3(b)呈現增益頻寬(fc)=5.3kHz和相位裕度(PM)=46.1。，讓系統更可以穩定地操作進一步提升效能。 圖4：所提出充電系統輸出電壓(Vo)與電流(Io)波形   　　本研究所提出充電系統其輸出電壓(Vo)與電流(Io)波形如圖4所示，在負載變動環境下，所提出的二極點與二零點數位補償控制策略，操作輸出電壓維持60 V提供電池充電。 　　本研究中所提出的電動車鋰電池充電系統使用了具有高轉換效率的交錯式升壓功率因數修正器，其中功率因數約為1，並且所提出的系統縮小傳統功率因數修正器體積。此外，全橋相移轉換器以小訊號模型是依據具有責任週期損耗因子的平均開關模型推導出來，可獲得輸出電壓和電流對責任週期之函數。所提出二極點與二零點數位補償控制策略，同時考慮輸出電壓和輸出電流回授，有效控制增益頻寬(fc)和相位裕度(PM)，提高系統穩定性和性能。所提出充電系統具有零電壓切換以獲得高效能，該系統效能達95%。採用所提出的二極點與二零點數位補償控制策略的電池充電系統架構與採用傳統控制方法進行比較驗證，研究團隊所提出的二極點與二零點數位補償控制策略具有更高系統性能。   原文出處：Lee, Y. L., Lin, C. H., Lu, S. D., & Liu, H. D. (2022). A novel high-performance two poles and two zeros digital compensation control strategy for electric vehicle lithium battery charging systems. Journal of Energy Storage, 52. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105024