報告人：莊潤郁日期： 2007 年 5 月 29 日嵌入氣靜壓軸承之氣壓伺服平台介紹控制組專題討論

報告人：莊潤郁日期： 2007 年 5 月 29 日　

嵌入氣靜壓軸承之氣壓伺服平台介紹

控制組專題討論

NCKU

Department of Mechanical Engineering, National Cheng- Kung University, Taiwan

Fluid Power Control Lab.

NCKUNational Cheng- Kung University, Taiwan


大綱一 . 緒論

二 . 系統架構

三 . 摩擦力量測

四 . 定位控制

五 . 循跡控制

氣壓缸活塞及缸壁之間的摩擦力 , 使伺服氣壓定位系統在低速時產生黏滯滑動現象 , 以至於難以達到精密之定位及循跡控制

Mechatronics 12 (2002) 813–831A study on tracking position control of pneumatic actuators

期望位置：氣壓缸位置：

時間

位置

一、緒論

NCKU





摩擦力對定位控制的影響摩擦力對循跡控制的影響

NCKU





二、系統架構嵌入氣靜壓軸承之氣壓伺服平台三視圖

圓形平面氣靜壓軸承結構圖 : 氣靜壓軸承式平台分體圖 :

NCKU





• 供氣壓力 :Ps=2.5bar• 配氣槽寬度 :GW=0mm• 配氣槽深度 :HG=0mm

• 節流器數： n=3• 節流器分布半徑 :R=2mm• 軸承間隙： h=10um

• 節流孔徑： d=0.2mm• 承載能力： FL=1.9526kgf

NCKU





無配氣槽軸承之壓力分布

• 供氣壓力 :Ps=2.5bar• 配氣槽寬度 :GW=0.4mm• 配氣槽深度 :HG=0.04mm

• 節流器數： n=3• 節流器分布半徑 :R=2mm• 軸承間隙： h=10μm

• 節流孔徑： d=0.2mm• 承載能力： FL=3.9168kgf

NCKU





具配氣槽軸承之壓力分布

氣靜壓軸承式氣壓缸剖面圖 :

氣靜壓軸承式氣壓缸之活塞及端蓋配氣槽分布圖 :

內部V型溝槽共五個(中間一個兩端對稱各兩個)

NCKU





氣靜壓軸承式氣壓缸之結構

• 供氣壓力 :Ps=4bar• 偏心量 :e=2μm• 配氣槽寬度 :GW=0mm

• 配氣槽深度 :HG=0mm• 氣室壓力 :PA=PB=0bar• 軸承間隙： h=10μm

• 節流孔徑： d=0.2mm• 承載自重： FL=3.0697kgf

無配氣槽活塞之壓力分布

NCKU





• 供氣壓力 :Ps=4bar• 偏心量 :e=2μm• 配氣槽寬度 :GW=0.5mm

• 配氣槽深度 :HG=0.2mm• 氣室壓力 :PA=PB=0bar• 軸承間隙： h=10μm

• 節流孔徑： d=0.2mm• 承載自重： FL=1.1864kgf

具配氣槽活塞之壓力分布

NCKU





NCKU





系統架構示意圖

微電腦

氣壓伺服閥

氣壓源過濾器

解碼卡

光學尺

調壓閥

調壓閥

氣靜壓氣浮平台

嵌入氣靜壓軸承之氣壓缸

介面卡DA/AD

調壓閥

NCKU





介面卡DA/AD

解碼卡

微電腦

精密供壓源

精密供壓源

放大器

氣壓伺服閥

氣靜壓氣浮平台

荷重計

光學尺

外力源氣壓缸

滑軌

液壓穩速器

三、摩擦力量測摩擦力量測平台系統架構圖

氣壓缸摩擦力與運動速度之關係圖系統摩擦力與運動速度之關係圖

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6

速度(mm/s)摩擦力(N)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 2 3 4 5 6

速度(mm/s)

摩擦力(N)

NCKU





摩擦力量測結果

四、定位控制雙模自調式模糊控制方塊圖

NCKU





Dead-zone compensatorr(k)

+

ue(k)

MU

MU

e

u

y(k)

MEe

Ge

Gv

FuzzyInference

Engine

Fuzzy Rule Base 1

Self-tuning Fuzzy Controller

uf (k)

Plant

ka

kb

ud

+

Guα

MEe

Fuzzy Rule Base 2

Gain rule determi-nation

Gain Tuning Mechanism

Fuzzification Defuzzification


de(k)

(k)

M

m

Servo valve

u(k)t

+

+ut

e(k)

ba

uc

e

uc (k)

a'b'

u(k)d

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5

10

15

20

25

30

時間(s)

位置(mm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.1

0

0.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.1

0

0.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.1

0

0.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.1

0

0.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.1

0

0.1

時間(s)

誤差(um)

Ess = 0.02um

Ess = -0.04um

Ess = 0.02um

Ess = -0.02um

Ess = 0.04um

NCKU





單步階定位控制響應圖

NCKU





循跡控制方塊圖

五、循跡控制

r(k) e(k) y(k)

Ge

Gv

FuzzyInference

Engine

Fuzzy Rule Base

uf (k)Plant

uMid

+

uGu


ds(k)

(k)

(k)α

dtd

s(k)

+

+

++

dtd

de(k)

dtd

Kv

Ke

Z-1

dui(k)Ku+

Switchlogic

e

uvuv

Fuzzy sliding controller

PI-like Fuzzy controller

Fuzzy

Inference

Engine

Fuzzy Rule Base


ui(k)

NCKU





模糊滑動控制器

由於平台的低摩擦特性，加上氣體的可壓縮性，造成循跡容易發生抖動的現象，所以我們使用模糊滑動控制器，再有考慮加速度誤差的情形下可有效的降低振動現象。我們取滑動平面方程式：。目標是滑動平面方程式為 0 ，即，求解 ODE可得 , 即位置輸出會以之速度收斂到目標值，但由於循跡時目標值隨時間改變，以致無法即時使誤差收斂到 0 。

ZE PBNB NS PS

0-1 1

S(k)

ZE PBNB NS PS

0-1 1

dS(k)

ZE PBNB NS PS

0-1 1

u (k)

NM PM

f

NB NS ZE PBPS

NB

NS

ZE

PS

PB

NB

NBNB

ZE

ZE

ZE

ZE

ZE

PB PB

PB

PS

PS

PS

PS

NS

NS

NS

NS

NM

PM

suds

NM

NM

PM

PM

S e e 0e e

1 * te C e te

NCKU





edude

ZE PN

N N

N

N

ZE

P

ZE

ZE

ZE

P

P P

e (k)

ZE PN

0-0.2 1-1 0.2

PI 型模糊控制器

相較於 PD 型模糊控制器 ,PI 型模糊控制器有較慢的響應速度，且能有效的消除偏移的誤差。

de (k)

ZE PN

0-0.2 1-1 0.2

du (k)

ZE PN

0-0.2 1-1 0.2

NCKU





弦波端點補償

弦波的端點處速度變化量大 , 速度由高變低然後轉向再由低速變高速的過程中，低速時的摩擦力較大，容易使控制命令在低速時，造成較大的誤差，故我們在平台速度小於時加入誤差補償 :

e

uv

min v deu k e when y V

其中

為加入端點補償的速度邊界

minV

NCKU





0 2 4 6 8 10

-1

0

1

0 2 4 6 8 10-0.2

0

0.2

位置

(mm

)誤差

(mm

)

時間(sec)

1 3 5 7 9

1 3 5 7 9

循跡結果圖0.2Hz/1mm sin wave

正弦波位置循跡實驗結果

利用所設計之控制器做正弦波循跡控制，在振幅 1mm頻率 0.2HZ下可有效控制

最大誤差 18um週期平均誤差 4.3um

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報告人：莊潤郁 日期： 2007 年 5 月 29 日 嵌入氣靜壓軸承之氣壓伺服平台介紹 控制組專題討論

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