可調扭矩非接觸式磁離合器之設計、動態量測與控制

  • 葉 記廷

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

傳統真空機械手臂採用的是永磁式磁力耦合器,但永磁式磁力耦合器有諸多缺點,例如:轉速與輸出扭矩的不可控性、因大量使用永久磁鐵導致成本居高不下、高溫應用領域的退磁問題等等。本論文旨在設計一可調扭矩式磁力耦合器,並成?推導其數學模型,以深入了解該元件。此外,本論文亦發展一全數位式扭矩感測器,並提出最佳化設計流程與設計一專屬之感測電路。最後設計一簡單的控制器,藉由扭矩回授並對磁力耦合器進行閉迴路即時控制。 本論文提出之可調扭矩式磁力耦合器在設計上採用套筒式的結構。其機械結構分為兩部分,分別為永磁外轉子與鼠籠式內轉子。原理上主要參考感應馬達的運作原理,藉由永磁外轉子的轉動,模擬感應馬達定子線圈產生的旋轉磁場,以帶動鼠籠式內轉子。其中,永磁外轉子上嵌入的永久磁鐵,採用Halbach cylinder的排列方式,能夠建立一均勻且同方向的磁場。傳統的磁力耦合器的扭矩控制機制為氣隙調整機構,藉由氣隙的調整達到控制傳遞扭矩的目的。因為氣隙一般都非常微小,卻對傳遞扭矩的影響又非常巨大,所以造成扭矩控制上的困難。本論文捨棄傳統以氣隙調整,控制扭矩的方式,而採用以永磁外轉子軸向的線性移動,改變內外轉子包覆程度的方式達到扭矩控制的目的。 此外本論文提出一全數位式扭矩感測器。扭矩感測器內部裝有一撓性體,當施加扭矩於該撓性體上時,該撓性體將產生形變。藉由偵測此一形變,換算施加之扭矩,達到扭矩感測之目的。為了能夠適用於機械手臂,在幾何結構的設計上朝向薄型化的方向進行。其中薄型化的關鍵在於撓性體之設計。本論文設計一雙柳丁截面形撓性體,滿足薄型化之需求,在3 N-m的施加扭矩下有約 的形變量,並且提出一最佳化設計流程,以加速產品開發。除此之外,本論文亦提出一全數位式偵測撓性體形變的方法。其機械結構上於撓性體兩端各安裝一組光感應器與碼盤,當傳動軸轉動時,光感應器被碼盤接連的觸發,產生脈衝序列。若此時有一外加扭矩施加於撓性體上,使撓性體產生形變,兩組脈衝序列將有一時間差。藉由偵測兩脈衝序列的時間差,推算撓性體的形變量,以達成扭矩感測的目的。最後針對此方法,設計一專屬之數位電路,採用計數IC計算其時間差與週期,以實現即時扭矩感測的?能。 本論文最後成?地製作與整合一套可調扭矩式磁力耦合器與全數位式扭矩感測器,並且針對兩者設計一閉迴路控制實驗平台與規劃一連串實驗,以驗證其?能性以及與理論的契合度。磁力耦合器方面,以手持式高斯計量測永磁外轉子建立之磁場,發現其磁場為一均勻的強力磁場,其磁通密度約為0 35T。之後針對其內外轉子不同的包覆程度與轉速差,量測其傳遞扭矩,觀察其傳遞扭矩之消長大致上與理論契合,且傳遞扭矩可達2 3 N-m。扭矩感測器方面,因為本論文提出之扭矩感測器的輸出為數位資料,不同於傳統類比式感測器,在靈敏度與解析度的定義會稍有不同,因此要先定義其靈敏度與解析度。最後針對量測出的,施加扭矩對感測器輸出之特性曲線圖,作詳細討論並求得其靈敏度為0 103 ,非線線性度百分比約為1 11%,解析度可達183 105 μN-m。在閉迴路控制方面,本論文設計一簡單的控制器,結合提出之磁力耦合器與扭矩感測器,驗證即時扭矩回授控制之?能。 總結而言,本論文完成一具即時扭矩控制?能之磁動力傳輸模組。該模組除了能夠控制其傳遞扭矩外,還能夠非接觸地透過真空腔壁傳遞真空機械手臂所需之扭矩,希望其對於真空機械手臂之發展能有一定程度之貢獻。
Date of Award2014 Aug 24
Original languageChinese
SupervisorNan-Chyuan Tsai (Supervisor)

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可調扭矩非接觸式磁離合器之設計、動態量測與控制
記廷, 葉. (Author). 2014 Aug 24

Student thesis: Master's Thesis