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系統識別號 U0026-0707201015202900
論文名稱(中文) 具放大機構之單軸壓電驅動撓性精密定位平台之分析、設計、控制
論文名稱(英文) Analysis, Design and Control of a Single-Degree of Freedom Piezoelectric Compliant Stage with Amplification Mechanisms
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 機械工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生(中文) 王維志
研究生(英文) Wei-Chih Wang
學號 n1697475
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 182頁
口試委員 指導教授-陳國聲
口試委員-沈聖智
口試委員-李振榮
口試委員-劉雲輝
中文關鍵字 自動化光學檢測  精密定位平台  壓電致動器  撓性機構  PID控制  順滑模態控制 
英文關鍵字 Automatic Optical Inspection  Precision Positioning Stages  Piezoelectric Actuators  Compliant Mechanisms  PID Control  Sliding-Mode Control 
學科別分類
中文摘要 近年來,主動式振動控制發展快速,應用層面多樣化,如自動化光學檢測設備。由於安裝於大質量龍門上的顯微鏡組,在龍門停止或到位,機台晃動需很快的停止,否則CCD鏡頭組與待測物產生相對位移進而造成影像模糊等問題。因此,本研究利用控制的方法來抑制其振動量並且快速抑制振動使其達到穩定。本論文最主要研究目的在發展出主動式控制撓性平台應用於自動化光學檢測系統,期望能將此一撓性平台用來抑制龍門機台之啟動停止,所造成CCD鏡頭的振動、快速定位與高定位精確度,並且針對各種不同重量之負載,來模擬CCD鏡頭重量。本文主要利用壓電致動器驅動精密定位平台之軌跡控制,透過閉迴路控制搭配PID控制以及滑動模態控制來改善定位平台增加負載(Loading)之後造成平台的振盪與不穩定,並且探討此兩種控制器之優缺點。在平台負載614g(質量變異百分比731%)之20.32μm步階響應特性中, overshoot方面,從開迴路的43.8%分別藉由PID與SMC減小到0.89%和3%;settling time方面,則是從249.7ms縮短為35ms和39.3ms;穩態誤差之兩個標準差約為91nm和53.8nm。控制器強健性方面,平台受外界干擾1.02N恢復至目標所需之時間,採用PID控制約需30msec,SMC則需24ms。在動態三角波運動路徑軌跡追蹤,可觀察出在10Hz時,SMC的控制效果比PID良好。 從結果觀察,本研究所設計之撓性平台具有體積小且質量輕等優點,並且採用了回授控制的方法,能大幅的降低由於負載而使平台所產生的振盪。此類產品國外價格昂貴,本研究之主動式振動控制撓性平台,在價格上較為便宜且抑制振動效果亦相當良好,可以提供國內相關精密製造產業符合需求。
英文摘要 Automatic Optical Inspection (AOI) plays an important role on modern semiconductor and optoelectronics industries. A typical AOI equipment consists of a camera mounted on a gantry for performing large-area inspection. Fast and accurate maneuver would influence the inspection efficiency. However, the motion induced vibration during fast transition could significantly increase the settling time and therefore deteriorate the inspection rate. In this thesis, a piezoelectric driven compliant stage was design as the carrier for camera. By integrating control scheme with the stage, it is possible to suppress the vibration and therefore improve the performance of AOI. In the first part of this thesis, a novel compliant stage was design and realized. By integrating mechanical amplifier with piezoelectric actuator and capacitance probe, this stage could achieve a natural frequency of 393Hz and stoke of 71μm. Essential structural dynamics tests, as well as finite element simulations were performed for characterizing the system dynamics for feedback control. In the second part of this thesis, the stage control was implemented by both PID and sliding mode control schemes. First, the equivalent system was constructed by MATLAB/Simulink, and discussing the step response effects of the parameter of PID and sliding mode controller. Because the disturbances of the environment, it may make the stage away from its steady position. For the purpose of robustness over possible dynamic parameter variation during service, this thesis also addressed the robustness of the controller. The control schemes were implemented and realized by FPGA module of LabVIEW and CompactRIO system. Experiment data showed that the results of system under a payload of 0.614kg(mass uncertainty 731%) and a 20.32μm step input. The overshoots of PID control and SMC, where reduced to 0.89% and 3% in comparison with the original 43.8% with no control. The settling time is also reduced to 35ms and 39.3ms from original 249.7ms. For the performances against disturbance with a disturbed force of 1.02N, it returns to steady position that takes about 29ms and 24ms. In comparison with commercial Physik Instrumente (PI) P-611 stage, the stage proposed by this work provides a better dynamic performance such as response time and robustness, which are essential for AOI and related applications. As a result, we believe that by further structural and control design optimization, this prototype would have great potential for AOI and other possible industrial applications.
論文目次 中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
摘要 V
表目錄 IX
圖目錄 X
符號說明 XVII


第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 文獻回顧 4
1.4 研究方法 8
1.5 全文架構 10
第二章 壓電驅動撓性微定位平台系統之背景介紹 12
2.1 撓性機構平台相關研究 13
2.2 壓電致動器介紹與相關應用 19
2.3 嵌入式即時控制器介紹與相關應用 23
2.4 壓電驅動撓性機構平台定位控制相關研究 26
2.5 本章結論 31
第三章 撓性機構定位平台之設計與分析 32
3.1 撓性機構定位平台概念性設計 33
3.2 割痕式撓性結構 35
3.3 驅動機構之靜、動態分析 38
3.4 有限元素分析軟體ABAQUS於撓性結構分析 46
3.5 本章結論 51
第四章 系統動態測試與PID控制器之設計 52
4.1 實驗系統架構與建模 53
4.1.1 實驗系統架構 53
4.1.2 平台模型之參數量測 58
4.1.3 壓電致動器模型之參數量測 61
4.1.4 壓電驅動微定位撓性平台開迴路響應 63
4.2 回授PID控制背景介紹 65
4.2.1 回授PID控制器理論 65
4.2.2 控制器設計之Ziegler-Nichols參數調整法 67
4.3 回授PID控制系統之模擬結果 68
4.3.1 回授PID控制系統MATLAB模擬分析 69
4.3.2 步階訊號軌跡追蹤 72
4.3.3 受干擾之步階響應 75
4.4 本章結論 77
第五章 微定位撓性平台PID控制器之實驗 78
5.1 步階訊號軌跡追蹤 79
5.1.1 開迴路與閉迴路步階響應實驗結果 89
5.2 受干擾之步階響應 95
5.3 連續步階路徑運動 98
5.4 三角波路徑運動 100
5.5 本章結論 103
第六章 滑動模態控制器設計 104
6.1 背景介紹 105
6.2 滑動模態理論 105
6.3 控制器設計 110
6.4 模擬結果與比較 112
6.4.1 控制器之參數討論 112
6.4.2 控制模擬結果 117
6.5 本章結論 121
第七章 滑動模態控制實驗結果與討論 122
7.1 滑動模態控制實驗實現 123
7.2 參數討論 124
7.3 實驗結果 130
7.3.1 步階響應 130
7.3.2 受干擾之步階響應 134
7.3.3 三角波訊號 136
7.4 本章結論 139
第八章 研究結果討論 140
8.1 控制器參數對系統響應之討論 141
8.2 PID控制器與滑動模態控制器定位能力之討論 149
8.2.1 步階響應 149
8.2.2 受干擾之步階響應 151
8.2.3三角波路徑運動 153
8.3 質量變異對定位精度之討論 155
8.4 撓性平台性能規格與實際應用上之可行性討論 158
8.5 本章結論 160
第九章 結論與未來展望 162
9.1 全文歸納 162
9.2 結論 163
9.3 本文貢獻 164
9.4 未來展望 165
參考文獻 168
附錄A 實驗硬體設備 173
附錄A.1 NI Compact RIO即時控制器 173
附錄A.2 撓性平台設計圖 175
附錄A.3 電容式位移計夾具設計圖 176
附錄B 模擬軟體與控制程式 177
附錄B.1 MATLAB/SIMULINK PID 177
附錄B.2 MATLAB/SIMULINK Sliding-Mode Control 178
附錄B.3 NI LabVIEW PID控制程式碼 179
附錄B.4 NI LabVIEW Sliding-Mode Control程式碼 181
自述 182


表目錄
表3.1 相關驅動器之比較 34
表3.2 常用的材料之特性比較 38
表3.3 撓性平台材料參數、尺寸與分析結果 45
表3.4 有限元素分析與理論值比較 50
表4.1 壓電致動器規格 55
表4.2 電容式位移計規格表 55
表4.3 第一模態共振頻率比較 58
表4.4 Ziegler-Nichols之PID控制器參數最佳調整法 67
表4.5 PID控制器參數選擇 75
表5.1 PID控制器參數之選取 90
表6.1 參考模型參數表 112
表6.2 滑動模態控制器與PID控制器模擬參數 118
表7.1 滑動模態控制器參數 131
附表A.1 NI Compact RIO規格表 174

圖目錄
圖1.1 PI 奈米定位壓電平台(a)P-611 Z stage (b)定位實驗結果圖 3
圖1.2 不同重量之CCD鏡頭(a)佳易達企業CCD-SENTECH STC-C83 USBAT(145g) (b)力丞MLH-10X(233g) (c)力丞TEC-M55(320g) (d)碁電A400系列(615g) 3
圖1.3 微奈米級撓性機構平台(a)單軸(20μm)(b)雙軸(15 x 15μm)(c)三軸(100 x 100 x10μm) 6
圖1.4 壓電致動器遲滯行為(a)未補償(b)利用PI model補償後 6
圖1.5 LabVIEW FPGA中圖形化程式與Host端進行互動[15] 7
圖1.6 人機介面(HMI) 7
圖1.7 客製模組用於Yamaha YZF-R6之控制火星塞與燃料噴射器 7
圖1.8 研究流程圖 9
圖1.9 全文架構圖 11
圖2.1 本章架構圖 12
圖2.2 割痕式機構平台 (a)撓性機構定位平台 (b)撓性鉸鍊 13
圖2.3 撓性鉸鍊尺寸分析(a)進給平台(b)t與e對自然頻率之間的關係 14
圖2.4 平台剛性與平台結構參數比較 15
圖2.5 XY軸撓性機構定位平台 15
圖2.6 XY軸撓性機構平台與實驗結果(a)示意圖(b)X與Y軸自然頻率 16
圖2.7 單軸撓性機構平台 17
圖2.8 XYZ三軸撓性機構微定位平台 18
圖2.9 XY軸微定位平台(a)平台3D模型圖(上視圖)(b)平台實際圖(下視圖) 18
圖2.10 雙軸定位平台(a)分解圖(b)組合圖 19
圖2.11 壓電效應(a)正壓電效應(b)逆壓電效應 20
圖2.12 積層式壓電致動器示意圖 20
圖2.13 相對位移補償概念圖 22
圖2.14 壓電致動車刀實驗圖 23
圖2.15 NI RIO FPGA圖形化開發 25
圖2.16 LabVIEW即時開發環境 25
圖2.17 Nexans 結合LabVIEW與Compact RIO控制蜘蛛的液壓系統 26
圖2.17 正弦波響應(a)利用DSMC追蹤響應與誤差(b)利用PI control追蹤響應與誤差 27
圖2.18 單軸精密定位平台實驗系統圖 28
圖2.19 Xu與Li所規劃之實驗架構 29
圖2.20 模擬結果 (a)三種不同控制器之步階響應(b)不同頻率輸入與峰值誤差關係 29
圖2.21 Photograph of the XY CPM prototype and experimental setup 30
圖2.22 XY CPM之定位誤差 30
圖3.1 本章架構圖 32
圖3.3 撓性機構之基本形式(a)平板式(b)割痕式 35
圖3.5 移動台側向位移示意圖 37
圖3.6 SolidWork單自由度平台撓性機構模型 39
圖3.7 撓性鉸鍊機構示意圖 40
圖3.8 驅動機構之自由體圖 41
圖3.9 撓性機構平台尺寸 42
圖3.10 撓性平台之立體圖 47
圖3.11 I-DEAS二維網格模型 47
圖3.12 撓性機構平台靜態分析(a)最大位移(b)最大應力 49
圖3.13 撓性機構第一自然共振頻率(412.3Hz) 50
圖4.1 本章架構圖 52
圖4.2 實驗系統示意圖 53
圖4.3 實驗設備圖 (a)撓性機構平台 (b)壓電致動器 (c)壓電放大器 (d)電容式探針 (e)電容式位移放大器 (f)嵌入式即時控制器 54
圖4.4 實驗系統圖 56
圖4.5 最大位移實驗量測 (a)最大位移實驗系統 (b)平台最大位移 56
圖4.6 第一模態自然共振頻率量測 (a)實驗系統 (b)精密定位平台頻譜圖 57
圖4.7 位移隨著時間變化圖 60
圖4.8 平台脈衝響應圖 60
圖4.9 壓電致動器之曲線揉合 62
圖4.10 平台在不同負載下之開迴路步階響應 64
圖4.11 平台performance 與負載之間的關係 (a)最大超越量 (b)安定時間 64
圖4.12 回授PID控制方塊圖 65
圖4.13 壓電定位平台波得圖 (a)大小圖 (b)相位圖 70
圖4.14 壓電定位平台根軌跡 (a)未加入PID控制 (b)加入回授PID控制 71
圖4.15 改變Kp對系統步階響應之影響模擬結果圖(Ki=150, Kd=0.001) 73
圖4.16 改變Ki對系統步階響應之影響模擬結果圖(Kp=0.1, Kd=0.001) 74
圖4.17 改變Kd對系統步階響應之影響模擬結果圖(Kp=0.1, Ki=150) 74
圖4.18 平台無負載以及受外界干擾力0.34N之響應模擬結果圖 76
圖4.19 平台負載受干擾恢復至目標位置所需時間之模擬結果 76
圖5.1 本章架構圖 78
圖5.2 實驗系統圖 79
圖5.3 控制系統方塊圖 80
圖5.4 Ki參數以及負載對系統響應的影響(Kp=0.10156, Kd=0.0005)(a)0g (b)114g (c)214g (d)314g (e)614g 82
圖5.5 步階響應性能(a)上升時間 (b)最大超越量 (c)安定時間 83
圖5.6 Kp參數以及負載對系統響應的影響(Ki=400, Kd=0.0005)(a)0g (b)114g (c)214g (d)314g (e)614g 86
圖5.7 Kd參數以及負載對系統響應的影響(Kp=0.10156, Ki=400)(a)0g (b)114g (c)214g (d)314g (e)614g 88
圖5.8 開迴路與閉迴路實驗比較圖(a)0g (b)114g (c)214g (d)314g (e)614g 92
圖5.9 平台增加負載相對於performance之實驗結果(a)最大超越量 (b)安定時間 93
圖5.10 平台無負載時之穩態誤差實驗圖 94
圖5.11 PID控制之平台負載與穩態誤差關係圖(2std) 94
圖5.12 定位系統無負載下受干擾之步階響應實驗結果(a)0.34N(b)0.68N(c)1.02N 97
圖5.13 定位系統受干擾之後恢復至穩態所需之時間 97
圖5.14 平台負載614克之連續步階定位實驗與誤差結果(a)實驗結果(b)誤差結果 99
圖5.15 平台負載614g之頻率1Hz三角波運動路徑PID定位控制實驗圖(a)614g (b)軌跡追蹤誤差 101
圖5.16 平台負載614之頻率10Hz三角波運動路徑PID定位控制實驗圖(a)614g (b)軌跡追蹤誤差 102
圖6.1 本章架構圖 104
圖6.2 滑動控制示意圖 106
圖6.3 滑動模態控制系統方塊圖 108
圖6.4 滑動模態控制器之設計流程 110
圖6.5 比較η大小之模擬結果圖(a)時域響應(b)狀態誤差空間曲線(c)控制力 114
圖6.6 比較λ大小之模擬結果圖(a)時域響應(b)狀態誤差空間曲線(c)控制力 115
圖6.7 比較Φ大小之模擬結果圖(a)時域響應(b)狀態誤差空間曲線(c)控制力 116
圖6.8 平台無負載時受干擾力0.34N之SMC與PID之模擬結果 118
圖6.9 平台無負載時受干擾恢復至穩態所需之時間模擬結果圖PID控制 (b)滑動模態控制 119
圖6.10 外界干擾下改變負載恢復至目標位置所需時間之PID模擬結果 120
圖6.11 外界干擾下改變負載恢復至目標位置所需時間之SMC模擬結果 120
圖6.12 PID控制與滑動模態控制當質量改變且干擾強度改變恢復至穩態所需時間模擬結果 121
圖7.1 本章架構圖 122
圖7.2 λ參數對系統影響(a)時域響應(b)狀態誤差空間相平面(c)相平面放大圖 126
圖7.3 Φ參數對系統影響(a)時域響應(b)狀態誤差空間相平面 127
圖7.4 η參數對系統影響(a)時域響應(b)狀態誤差空間相平面 128
圖7.5 λ過大所引發的高頻振動 129
圖7.6 Φ過小使系統敏感而產生抖動圖 129
圖7.7 PID控制與滑動模態控制步階響應實驗比較圖 (a)0g (b)114g (c)214g (d)314g (e)614g 133
圖7.8 SMC之平台負載與穩態誤差關係圖(2std) 134
圖7.9 平台無負載下受干擾之響應之實驗結果(a)0.34N (b)0.68N (c)1.02N 135
圖7.10 外界干擾下改變負載與增加干擾強度恢復至目標位置所需時間之PID與SMC實驗結果 136
圖7.11 平台負載614g之頻率1Hz三角波運動路徑SMC與PID定位控制實驗圖(a)614g (b)SMC軌跡定位追蹤誤差 137
圖7.12 平台負載614g之頻率10Hz三角波運動路徑SMC與PID定位控制實驗圖(a)614g (b)SMC軌跡定位追蹤誤差 138
圖8.1 本章架構圖 141
圖8.2 改變PID控制器參數kp對系統響應影響結果(a)rising time (b)overshoot (c)settling time 142
圖8.3 改變PID控制器參數ki對系統響應影響結果(a)rising time (b)overshoot (c)settling time 143
圖8.4 改變PID控制器參數kd對系統響應影響結果(a)rising time (b)overshoot (c)settling time 144
圖8.5 改變SMC參數對系統響應影響之實驗結果(a)改變Φ(b)改變λ(c)改變η 148
圖8.6 平台開迴路、PID與SMC實驗結果之性能比較(a)rising time (b)overshoot (c)settling time 150
圖8.7 兩個標準差之穩態誤差PID控制與SMC實驗結果圖 151
圖8.8 平台增加負載時受干擾恢復至目標位置所需時間之PID與SMC模擬結果 152
圖8.9 平台增加負載時受干擾恢復至目標位置所需時間之PID與SMC實驗結果 152
圖8.10 平台負載614g三角波運動路徑追蹤之PID控制與滑動模態控制實驗結果(a)1Hz (b)10Hz 154
圖8.11 平台負載114g之掃頻實驗結果圖 156
圖8.12 壓電驅動器之掃頻實驗結果圖 156
圖8.13 平台負載與系統自然頻率之關係的實驗與模擬結果比較 157
圖8.14 平台負載與系統阻尼之關係的實驗結果 157
圖8.15 最大位移改善 (a)實驗裝置 (b)實驗結果 159
圖8.16 具CCD鏡頭之撓性平台 (a)平台實體圖 (b)定位實驗結果 160
附圖A.1 NI Compact RIO即時控制器實體圖 173
附圖A.2 撓性平台設計圖 175
附圖A.3電容式位移計夾具 176
附圖B.1 SIMULINK PID模型 177
附圖B.2 SIMULINK SMC模型 178
附圖B.3-1 PID控制主程式 179
附圖B.3-2 階梯訊號程式碼 179
附圖B.3-3 三角波與鋸齒波軌跡程式碼 180
附圖B.4 Sliding-Mode Control 主程式 181
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