文题目(英文)：Design, Implementation and Verification for a Cylindrical

論文題目(中文)﹕圓柱型磁浮致動器及其應用之設計、實現及驗證 論文題目(英文)﹕Design, Implementation and Verification for a Cylindrical

Magnetic Suspension Actuator and Its Applications

研 究 生：陳俊良 指導教授﹕林清一

磁浮系統在操作上具有無摩擦、無接觸與無噪音的特性，其設計與

技術，已經發展非常成熟。本論文使用混合永久磁鐵與回授控制來設計磁浮致動器，由磁場之模擬、驗證以建立系統的參數，進而製成系統雛型，用此磁浮致動器雛型進行實驗與性能測試，再用閉迴路PID控制器來改善其性能。最後再設計、模擬與驗證另一型不同結構的磁浮致動器，致動器內嵌兩組永久磁鐵於其底座與支撐座，透過外部電流控制電磁力而對磁浮致動器機構形成彈簧效應。利用致動器的精確定位及對外界擾動的調節能力，應用於球與桿的平衡系統，控制兩支致動器的支撐座於穩定點的高度達到控制桿角度的變化，使球停止在穩定點上。在控制機制上使用fuzzy 控制法計算球穩定所需之桿角度的修正量，再使用PID控制器控制磁浮致動器高度使球到達穩定位置，並以不同條件的實驗呈現系統的控制性能。最後對改進方法及未來的研究方向提出建議。

第一章 緒論

1.1問題陳述

避震器的作用在於吸收由地面所傳來的加速度產生之力，傳統上設

計是以液壓或氣壓缸為避震阻尼，將加速度產生之能量吸收並轉換為熱能，所以會使液壓油變熱進而變質。新一代的避震阻尼設計重點在於減少安定時間，隨著不同的地面而能即時的改變阻尼值，使乘載的人或物能有最舒適感。

一般機械性的避震器可以分成兩類，即主動式與被動式避震器。一個簡單的被動式避震器如圖1-1所示，包含一的彈簧與阻尼器.另外被動式避震器也被實現在液壓或是氣壓的技術上，圖1-2所示即為以氣壓所構成的被動式避震器，其根本上為一封閉的儲存器。利用置於彈性隔膜上的活塞的上下移動來做位移的控制，空氣經由彈簧室（spring chamber）與阻尼室（damping chamber）的小孔會造成所含能量減少，而降低振幅的大小。這類被動式避震器不論是否有彈簧或使用氣壓式，都會有摩擦、污染或漏油的問題。

磁浮技術被設計成無接觸無、噪音與反應快速，基本上磁浮可用來提供載重與吸收外部震動能量，近來磁浮的實際應用有磁浮軸承、磁浮輸送帶、磁浮運輸與磁浮平台，利用基本的電磁理論加上合適的感測器

與驅動電路，配合回授控制即可建立磁浮。

本論文主要建立一套模擬分析、系統設計、雛形製作以及完整測試的開發技術，以建立可應用的磁浮避震器，研究重心在於磁浮避震器之設計與控制，從磁場的模擬分析、硬體的設計改良、感測器及驅動器的選擇，最後經由PID控制器參數的調整達到最佳的控制。在磁場的模擬分析中，透過有限元素分析的方式可以從中觀測模擬與實際量測磁力的差異性，並驗證其可靠度，以作為未來研究之用，如此可以節省在於硬體設計上所花費的時間。在控制器的設計上，以PID作為控制器設計的核心，並測試避震系統對於外在干擾的強健性，同時與未加控制器前比較，最後可驗證出系統在增加控制器後可抵抗震動之干擾，並快速回復至所設定的平衡點。而為克服被動式避震器的缺點首先提出可得到準確位置控制與抑制衝擊外力的圓柱型軸式磁浮致動器，這個致動器亦被設計並製成硬體以驗證其性能。

本論文所提出圓柱型軸式磁浮致動器本身為一非線性與不穩定的系統，由於其非線性特性，以電磁理論來推導系統的動態方程式與驗證磁浮模型，利用Maxwell 3D軟體來決定其機構與分析電磁場分布，並經由古典控制理論來解決這個圓柱型軸式磁浮致動器的穩定問題

1.2磁浮致動器概論

磁浮技術的優點為無摩擦、無污染、高速與低噪音，過去二十年如磁浮運輸系統、磁浮風洞、磁浮軸承與磁浮軌道等磁浮系統已被應用在工業上。文獻上磁場應用分類為大間隙與小間隙。當磁場分布空間的實體距離大於磁極直徑稱為大間隙系統，在這種情況下磁場由磁極表面到一段距離的區域呈現非線性的分布，因此必須以模擬與/或實驗方式做出磁場分布的模型。當磁場空間有一非常小的距離且小於磁極直徑，則稱為小間隙系統，在此情形下磁場被假設為線性與均勻分布於間隙裡。則磁力與磁場分布、線圈電流與其他影響的參數都可以被簡化。在磁浮系統的設計依力量又可分為吸力型與斥力型兩種結構。大部分研究證明斥力型的磁浮系統具有本質上不穩定因而不易控制。另一方面，純吸力型磁浮系統架構，則有例如球和電磁體，或者混合系統的設計。到目前為止，幾種有磁浮技術被處理如下︰ (1) 使用永磁鐵產生斥力 (2) 超導性Meissner效應 (3) 渦電流引起的斥力 (4) 控制直流電磁

在本論文裡直流電磁磁浮也被使用，在1932年Kemper發展出直流電磁磁浮，到1960年固態電子的出現更使得磁浮技術被廣泛應用。由控制直

流電磁線圈電流產生磁力，因而以控制直流電磁線圈電流來做位置的靜態或動態控制變的非常容易。圖1.3為吸力型磁浮系統，圖1.4為混合\\永久磁鐵的吸力型磁浮系統。又自1980年高磁通密度磁性材料如非晶系材料與NdFeB釹鐵硼材料的發現，使得磁浮設計變得更可行且更有力。

1.3論文概要

以往磁浮系統的研究或設計都以現成的實際硬體來做實驗與探討。本論文則從磁浮架構的設計來探討，採用軟體分析進行設計處理，透過分析、修改達到要求的功能，使成為成熟的設計規範。 因此，本論文提出兩種典型磁浮系統的設計和實施。

本論架構如下， 第II章設計與討論圓柱型軸式磁浮致動器的設計

與分析並利用回授控制來做系統控制。 由Ansoft開發的Maxwell 3D 分析軟體來確定圓柱型軸式磁浮致動器架構的尺寸和零部件材料，磁場分布和磁力分析，以作為系統雛型製造所需參數。 系統動態模型可由模擬分析結果與進一步的設計與製造中獲得。

第III章討論圓柱型軸式磁浮致動器雛型系統設計。 這個圓柱型軸式磁浮致動器被製作成雛型並進行實驗和驗證其性能。 利用PID 控制器實現改進在不同狀況的振動吸收性能。 此圓柱型軸式磁浮致動可被用於抑制震動或位置控制，並能發展成為一個零件。 此系統可以更進一步作

為高等控制練習以改善系統性能。

在IV章，使用在第II 和III章所討論分析的方法，發展另一型的磁浮致動器--定立式混合型磁浮致動器。在這個定立式混合型磁浮致動器裡嵌入兩個永久磁鐵，利用斥力方式在這個機械系統裡達到彈簧效應。 再加上電磁來控制支撐部的位置。考慮系統的彈簧效應、渦電流效應與空氣壓縮效應後利用回授系統來建立系統的運動方。 系統的鑑別與模型化亦被討論。 在系統雛型建置前使用磁場模擬做分析與修正。 最後以實驗證明這種定立式混合型磁浮致動器性能。

在第V章，建立一個不使用馬達機構的新球與桿系統架構。 在這個系統裡，在桿的兩端使用定立式混合型磁浮致動器。球與桿系統應用控制系統來達成平衡，透過得到桿的傾斜角度與球位置感測來控制一支定立式混合型磁浮致動器以得到準確的球位置控制。 利用模糊控制球與桿系統和PID 控制定立式混合型磁浮致動器相結合以使球和桿性能穩定。 最後進行幾個實驗來證實系統性能，穩定，平衡。

第VI章為本論文做個結論，並且建議有關的未來研究方向。

第二章 圓柱型軸式磁浮制動器的結構與特性

磁浮的技術可以讓系統無接觸、無噪音與響應快。磁浮在目前的應用較具成熟的產品有磁浮軸承、磁浮輸送帶、磁浮鐵路與磁浮平台。這些應用的理論皆是以電磁學的觀念為基礎，再搭配感測器等電子電路而後利用控制方法控制電流改電磁場方向達到不接觸的目的。由於磁浮系統本身為非線性，因此系統模式的推導與建立十分重要，所以建立系統的模式必須先經過電磁模擬，以有限元素分析方法分析。經過模擬分析後建立最佳化的實際機構並對模擬結果推導出系統的動態方程式。由於磁浮本身不是一個穩定的系統，透過閉迴路控制後始使其成為穩定系統。

本磁浮制動器的動態為一個自由度的上下來回運動。其基本原理是利用上下兩線圈供給電流時對中間的NdfeB永久磁鐵產生軸向的吸力與斥力達維持系統的平衡如圖 2.2 所示。系統的動子永久磁鐵被以一個鋁包覆固定在一個軸上。磁浮模型的主要磁作用力必需是在 Z 方向，而動子永久磁鐵的擺設和其磁化向量的方向也是被定在 Z 方向。磁浮系統為不穩定的非線性系統，對稱的設計以簡化系統。在系統動態方程式的推導時不會有其它方向的作用力或是作用力矩或是因而產生的摩擦，使得磁場強度計算中將模型簡化。本章的內容包含磁浮制動器的設計概念、磁路分析、磁力分析與動態系統的數學模式。

第三章 圓柱型軸式磁浮制動器的實現與測試

在第二章裡利用電磁場模擬與分析，建立了系統建置所需的參數與證明，為達成系統的穩定控制，在磁浮致動器雛型製作後，將實際系統硬體做實驗性實際量測以建立磁浮避震系統完整的閉迴路控制，系統整體的閉迴路控制架構是由致動器、位置感測器、類比電路與控制器以及PWM式電源供應器所組成。在控制器的設計上，以PID作為控制器設計的核心，透過類比PID控制器控制並測試避震系統對於外在干擾的強健性，同時與未加控制器前比較。整個系統的測試包含以以5Kg的重物，分別在支撐平台上1cm,3cm與5cm高度落下時其響應關係，接著利用Labworks Inc.的PA-141放大器 與ET-126B 震動源產生器 Exciter產生外加干擾測試此系統之定位及減振能力。透過PA-141 Ampllifier輸入各種不同頻率時由ET-126B 震動源產生器來產生振動，經由National instruments Co. 的PCI-6052E資料擷取卡做資料擷取後顯示於PC螢幕來測試系統抗振動的狀況。ET-126B 可以產生最大為峰值25 磅正弦波式力量其最大位移可達0.75英吋，頻率範圍可達10 KHz，最後可驗證出系統在增加控制器後可抵抗震動之干擾，並快速回復至所設定的平衡點。

第四章 定立式混合型磁浮避震器

在第四章裡介紹由第二章與第三章所使用的設計方法，發展出另一種新樣式的磁浮避震器，利用電磁場模擬進而建立了系統建置所需的參數與證明此新混合型磁浮避震器的技術可以讓系統無接觸、無噪音與響應快。再搭配感測器等電子電路而後利用控制方法控制電流改電磁場方向達到定位與避震的效果。系統模式的推導與建立先經過電磁模擬﹐以有限元素分析方法分析。經過模擬分析後建立最佳化的實際機構並對模擬結果推導出系統的動態方程式。

本定立式混合型磁浮避震器的動態亦為為一個自由度的上下來回運動。其基本原理是利用單一線圈供給電流時對上下兩個NdfeB永久磁鐵產生軸向的吸力與斥力達維持系統的平衡如圖 4.2 所示。系統的支撐座內嵌永久磁鐵被並包覆固定在一個軸上。磁浮模型的主要磁作用力必需是在 Z 方向，而支撐座永久磁鐵的擺設和其磁化向量的方向也是被定在 Z 方向。磁浮系統為不穩定的非線性系統，對稱的設計以簡化系統。在系統動態方程式的推導時不會有其它方向的作用力或是作用力矩或是因而產生的摩擦，使得磁場強度計算中將模型簡化。

最後建置此一系統的雛形，利用資料擷取卡DAQ PCI-6052E對此定立式混合型避震器控制與應用，並利用系列的測試來驗證系統的

功能與響應，以作為第五章應用的參考。經過測試後證明由此方法設計的定立式混合型磁浮避震器確實可用。

第五章 應用模糊控制於定立式混合型磁浮避震器的球桿

系統

在第五章裡介紹應用模糊控制於定立式混合型磁浮避震器的球桿系統，球桿系統在先天上具有非線性、不穩定的特質，要控制球穩定在桿上的任意點上並不容易。本研究介紹使用兩隻定立式混合磁浮避震器構成的桿座，一支桿橫跨放置在兩支避震器支撐座的上方，利用避震器的精確定位以及對外界擾動的調節能力，控制一隻避震器的支撐軸於穩定點的高度，以達到控制桿的角度的變化，使球停止在穩定點上。而不使用馬達、齒輪以及傳動皮帶等機械設備的組合以使桿旋轉的傳統方法。另一方面分別使用0.1mm的電阻線繞在絕緣棒上型成螺線管狀的可變電阻作為球位置感測器，及一隻5k-ohm的可變電位計作為桿角度感測器，並經過適當的訊號處理後使控制器能立刻的擷取球和桿的狀況，使系統有即時控制的效果。在控制的機制上先使用模糊控制計算使球穩定所需要之桿角度的修正量，再使用傳統的PID 控制器控制桿的角度，使球到達平衡穩定位置。最後以幾個不同條件的實驗來呈現系統的控制性能。

第六章 結 論

本論文提出利用由模擬電磁場分分布，來對構想的磁浮架構進行理論驗證，由於電磁場模擬乃是以有限元素方法來求解電磁力，只要所建立的材料參數正確，則所模擬結果與實體量測情形無太大差異。控制上不需應用複雜的控制律即能對所設計的系統得到良好的性能規格。經過由期刊上的傳統架構磁浮來驗證，再經由兩個自行設計開發的架構進行實驗，證實此方法在磁浮系統的設計應用很有幫助。