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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 應用力學研究所
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/95789
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dc.contributor.advisor李世光zh_TW
dc.contributor.advisorChih-Kung Leeen
dc.contributor.author曾兆廷zh_TW
dc.contributor.authorChao-Ting Tsengen
dc.date.accessioned2024-09-16T16:26:29Z-
dc.date.available2024-09-17-
dc.date.copyright2024-09-16-
dc.date.issued2024-
dc.date.submitted2024-08-10-
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dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/95789-
dc.description.abstract本研究目的為二維旋轉壓電馬達之主動角度控制,與本實驗室團隊在之前開發出的二維旋轉壓電馬達進行系統整合,達到可精準控制轉盤轉子角度的研究目標。在此控制系統配置中,本研究在轉盤轉子外圍設計一個可使用逕向充磁N35強力磁鐵環以及2個霍爾感測器即可讀取出轉動角度的感測技術,並將此做為控制系統的回授訊號,輸入至NI myRIO-1900 進行PID角度控制。本研究以本實驗室團隊所開發之自走式二維壓電平板致動器做為控制對象,首先利用希爾伯特轉換分析方法,定義一成本函數,並藉由此設計出最佳驅動訊號給予至不同壓電片組合,疊加出效率最佳之順時針和逆時針方向之旋轉行進波。同時透過數值模擬進行分析,以及利用有限元素模擬驗證此尋找最佳驅動訊號方法的可行性,最後實際操作雷射測振儀觀察二維旋轉壓電致動器表面波形驗證最佳驅動訊號方法,並比較使用本研究所開發之角度回授控制技術研究可操控的角度及精度。經由實驗驗證,此系統在順時針方向具有著8.13V的線性區,而在逆時針方向,具有著7.69 V的線性區,在透過閉迴路系統辨識建立出二維旋轉壓電致動器轉移函數模型,並透過根軌跡圖設計出符合臨界阻尼系統之PID參數,在移動1度時,順時針精度可以達到0.0087度,逆時針精度可以達到0.0076度,達到研究目標。最後以不同角度步階實驗以角度往復實驗來測試系統性能。zh_TW
dc.description.abstractThe aim of this study is to design an active angle control system for a rotating piezoelectric motor to achieve the goal of angular precision control. This active angle control system integrates a rotating piezoelectric motor that was previously developed by our team. The angular sensing method is constructed by a radially magnetized N35 magnet ring and two Hall sensors, and the measured angle is used as the feedback signal using a NI myRIO-1900 for PID angular control. To optimize this rotational piezoelectric motor, we first define a cost function using the Hilbert transform to identify the optimal drive parameters. Clockwise and counterclockwise rotating waves can be effectively activated by superimpose bending vibrations induced by different combinations of piezoelectric actuators. Numerical simulation and finite element method are also used to verify the feasibility of this. Finally, we conduct experimental studies and verify it with a laser vibrometer. The capability to control rotational angle and accuracy of the angle feedback control method also are verified. The experimental results demonstrated that the system has a linear region of 8.13 V in the clockwise direction and a linear region of 7.69 V in the counterclockwise direction. A system identification process is used to design the closed-loop system, and the root locus diagram is used to optimize the PID control parameters for designing a critical damping feedback system. Applying this system, the clockwise accuracy can reach 0.0087 degrees, and the counterclockwise accuracy can reach 0.0076 degrees at 1-degree movement. Finally, the system performance is tested with experiments involving incremental steps at different angles and reciprocating motion at varying angles.en
dc.description.provenanceSubmitted by admin ntu (admin@lib.ntu.edu.tw) on 2024-09-16T16:26:29Z
No. of bitstreams: 0
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2024-09-16T16:26:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0en
dc.description.tableofcontents誌謝 i
中文摘要 ii
ABSTRACT iii
目次 iv
圖次 vii
表次 xviii
第一章 緒論 1
1.1 壓電致動器的產業以及市場趨勢 1
1.2 研究背景與動機 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 論文架構 9
第2章 壓電馬達控制系統架構及理論推導 11
2.1 整體控制系統架構 11
2.1.1 整體系統 11
2.1.2 角度判讀策略 13
2.1.3 二維壓電致動器旋轉馬達 15
2.1.4 霍爾感測器型號選擇 18
2.1.5 永久強力磁鐵種類選擇 20
2.1.6 控制策略 22
2.2 理論推導 23
2.2.1 二維壓電致動器理論 23
2.2.2 單頻雙模驅動理論 32
2.3 希爾伯特轉換 33
2.3.1 理論介紹 33
2.3.2 最佳化分析 35
2.3.3 相位補償方法 37
2.4 閉迴路系統辨識理論 39
第3章 二維旋轉壓電馬達之驅動設計及製程 42
3.1 二維旋轉壓電馬達結構設計及製程 42
3.1.1 壓電致動器位置設計 42
3.1.2 雙簡支夾具製程 44
3.2 轉盤製程 45
3.3 驅動支腳設計及製程 47
3.4 輸入訊號設計 48
3.4.1 最佳化希爾伯特轉換分析方法 48
3.4.2 驅動訊號產生方式 49
3.4.3 驅動訊號表示定義 50
第4章 數值模擬分析 51
4.1 等效材料參數 51
4.2 數值模型建立及其材料係數設定 51
4.3 複合結構模態分析 52
4.4 以希爾伯特轉換驗證順逆時針方向旋轉波最佳驅動之參數 53
4.4.1 成本函數J最佳化旋轉波參數 54
4.4.2 不同相位差的貢獻與影響 59
4.4.3 不同驅動電壓比的貢獻以及影響 68
第5章 有限元素模擬分析 78
5.1 有限元素模型建立及其材料係數設定 78
5.2 結構模態分析 79
5.3 以希爾伯特轉換設計順逆時針方向旋轉波最佳驅動之參數 80
5.3.1 成本函數J最佳化旋轉波參數 80
5.3.2 不同相位差的貢獻以及影響 81
5.3.3 不同驅動電壓比的貢獻以及影響 86
第6章 二維旋轉壓電馬達之轉動實驗結果與討論 95
6.1 二維旋轉壓電馬達之共振頻量測 95
6.2 壓電致動器旋轉分析實驗架設 96
6.3 實際驅動訊號之相位補償分析 96
6.4 二維旋轉壓電驅動順時針方向旋轉波實驗及驗證 99
6.4.1 以實驗驗證不同相位差的貢獻以及影響 99
6.4.2 以實驗驗證不同電壓比的貢獻以及影響 104
6.4.3 不同驅動電壓之轉動速度比較 108
6.5 二維旋轉壓電馬達驅動逆時針方向行進波實驗 110
6.5.1 以實驗驗證不同相位差的貢獻以及影響 110
6.5.2 以實驗驗證不同電壓比的貢獻以及影響 114
6.5.3 不同驅動電壓之轉動速度比較 118
第7章 實際控制及系統辨識結果與討論 120
7.1 霍爾感測器工作距離測試 120
7.2 角度判讀實驗 121
7.3 實際控制系統辨識 127
7.3.1 控制系統辨識模型 127
7.3.2 控制系統辨識模型驗證 131
7.3.3 PID控制參數設計及實際響應結果 133
7.4 系統性能實驗 142
7.4.1 角度位置控制響應 142
7.4.2 角度往復實驗 150
第8章 結果和未來展望 159
8.1 結論 159
8.2 未來之展望 160
REFERENCES 161
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dc.language.isozh_TW-
dc.title應用霍爾感測器與磁性環實現二維壓電致動器旋轉馬達之 主動角度控制zh_TW
dc.titleActive Angular Control of a Planner Piezoelectric Rotational Motor Using Hall Sensors and a Magnetic Ringen
dc.typeThesis-
dc.date.schoolyear112-2-
dc.description.degree碩士-
dc.contributor.coadvisor許聿翔zh_TW
dc.contributor.coadvisorYu-Hsiang Hsuen
dc.contributor.oralexamcommittee吳文中;謝志文;柯文清zh_TW
dc.contributor.oralexamcommitteeWen-Zhong Wu;Chih-Wen Hsieh;Wen-Qing Keen
dc.subject.keyword旋轉壓電致動器,單頻雙模驅動,霍爾感測器,角度控制,閉迴路系統辨識,希爾伯特轉換,zh_TW
dc.subject.keywordrotary piezoelectric actuator,one-frequency-two-mode,angle control,hall sensor,Hilbert transform,Closed-loop system identification,en
dc.relation.page162-
dc.identifier.doi10.6342/NTU202403656-
dc.rights.note同意授權(全球公開)-
dc.date.accepted2024-08-13-
dc.contributor.author-college工學院-
dc.contributor.author-dept應用力學研究所-
dc.date.embargo-lift2029-08-06-
顯示於系所單位:應用力學研究所

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