馬達控制與傳動系統技術專輯主編前言

作者:

陳文泉

刊登日期:2022/06/28

馬達控制與傳動系統技術在我們日常生活中扮演著重要角色,無論是民生、工業甚至到國防、航太等產業處處都可見到,雖然已是發展多年的基礎技術,但對於國家發展依舊是扮演著舉足輕重的角色,馬達看似結構簡單就是一堆繞線、定子與轉子所組成,但要製造出體積小、功率大的高效率馬達,其背後從設計分析乃至於製程上的細節都必須錙銖必較,其高度仰賴技術水準、工藝表現與設計製造之經驗。尤其從烏俄開打至今,新型態的戰爭中無人機、裝甲車、各式精準打擊武器躍上台面,也凸顯傳動、馬達、驅動等基礎技術之重要性,面對殘酷戰爭與新冠疫情後的國際局勢發展,唯有國家本身自立自強,並持續強化基礎技術並尋求突破,方能站穩腳步。

近年來由於新冠疫情影響造成全球晶片短缺,臺灣在半導體全球化供應鏈當中的角色更顯重要,從2020至2021年間,國內半導體設備產值從907億元成長至1,167億元(臺幣),成長幅度達28%;然而半導體晶圓廠於2021年投資設備約7,000億元,國產設備佔比不到二成,顯示國產設備仍有努力空間,政府在今年1月表示應掌握半導體發展趨勢,透過政策資源支持並攜手臺灣電子設備協會,持續推動半導體設備國產化。

目前國軍船艦、車輛均已服役多年,需汰舊換新以維護戰力,政府推行國艦國造、國車國造等政策,積極投入資源於軍用車輛、船艦等發展,希望能達成國防自主化之目標;此外,無人機近年來發展蓬勃,無論在商用或軍用均有龐大需求,政府設立「中科院民雄航太園區」,打造「無人機產業園區」並投入國家資源。

我們分別於先進車輛組件技術與先進馬達驅動技術文章中,分享工研院機械所於車輛關鍵零組件、關鍵傳動技術、馬達量測、馬達驅動、引擎發動機等關鍵技術,可應用於車輛製造、無人機、智慧關節模組等應用,並且發展視覺化人機互動系統介面,提供使用者以直覺的方式開發控制器。

全球目前因生產成本控制與區域勞動力大幅減少,協作型機器人客製化彈性應用需求大幅增加,其中剛性、精度、耐久性與智慧化是關鍵技術;工研院機械所開發智慧關節(Smart Joint),持續投入「全數位內藏式伺服驅控模組技術」、「機器人多軸運動控制技術」以及關鍵的傳動元件「創新諧波減速機技術」,透過上述技術的整合與加值,成功開發全國產「整合型智慧關節模組」,並建立三種以上功率級別的關鍵零組件自主研發能力,帶動國內人機協作服務型機器人供應鏈建構。希望藉由彈性客製化及內建智能力感測的技術加值,使機器人在生產製造等多領域應用環境中,完全發揮預期的功能,以全面解決傳統上因構型與空間所造成的限制以及人機協作上的安全性問題。

本期我們很榮幸地邀請到國立臺北科技大學自動化科技研究所陳金聖特聘教授在【領袖觀點】中為我們介紹「微奈米運動平台核心技術」,奈米定位平台整合了機械傳動與壓電傳動兩部份,並搭配精密光學回授與控制方法達到奈米級定位精度,文章探討精密移動平台的過程中,雷射干涉儀回授架構、同動控制以及向量控制等議題,並呼應蔡總統推動半導體設備國產化之願景。

【產業脈動】部分,「協作型機器人之伺服馬達發展趨勢」闡述協作型機器人中的伺服馬達及其發展趨勢,包含馬達資訊可視化、直流無刷馬達(BLDC)與驅動器的標準化、伺服馬達的直接轉矩控制、節能化等四個面向,協作型機器人關鍵零組件如伺服馬達、驅控技術等將是未來發展重點,未來將達數百萬台之規模,後勢可期。

【先進車輛組件技術】包含變速器、冷卻系統、傳動軸、減速機等關鍵零組件,「無段變速器在車輛動力系統中的應用」中說明不同無段變速器的構造以及變速原理,並介紹無段變速器在傳動系統中的特殊應用方式,最後說明各種結合無段變速器的複合動力系統之架構。「車輛封閉型冷卻系統設計」中說明車輛冷卻系統相關參數的設計與分析,並且結合風扇的參數,以增進整體的散熱性能。「高精度傳動軸件製程技術」中說明傳動製程計畫安排,並討論目前國內主要發展的傳動軸件與其加工困難點,並對製程誤差分析與夾治具設計提出建議。「嵌入式無線量測減速機技術研究」中解決有限空間中資料傳輸瓶頸,透過無線技術傳輸振動、溫度等數據傳送至後台,可利用預兆診斷與機器學習等技術加以分析。

【先進馬達驅動技術】方面,「外掛式感測系統於工業馬達磁鐵故障偵測之應用」說明永磁同步馬達之線上監測技術,透過開發外掛硬體的方式,進行非侵入式之即時磁場量測,透過已知參數進行永磁磁通解離,完成即時馬達永磁場狀態監測目的。「高速電機弱磁控制策略與馬達輸出特性研究」說明高速電機驅動控制技術,討論電力電子技術、弱磁控制策略與相關馬達輸出特性,並採用模糊弱磁方法與PID弱磁電壓控制架構兩種方法,降低對馬達參數之依賴度,從非模型基礎之架構方向提出新的控制策略,以改善高速電機輸出特性。「無人機直流無刷馬達無感測器驅動開發及測試」探討大功率無人機馬達,藉由建置實驗平台、無感測器演算法撰寫、空載Duty 0-100%加速測試、滿載40吋扇葉,並在實際的無人機上進行測試,測得直流無刷馬達Brushless DC Motor (BLDC)搭配40吋扇葉的電壓-轉速、轉速-推力之關係。「引擎發電機整合工程」一文比較開迴路控制與閉迴路控制之差異,依據傳遞功率、轉速限制、傳遞效率、耐震能力、環境溫度、電機操作電流密度、空間限制等因素考量,最終以皮帶傳動方式,遠離引擎高溫環境,以成功增加電機的可靠度。「應用視覺化程式語言與人工智慧實現創新人機互動介面」則展示視覺化程式語言,讓使用者可跳脫困難的文字程式編輯,降低非專業領域使用者編輯運動程式之技術要求,並採用人工智慧之技術,將語音辨識及手勢辨識等技術融入開發情境中,使用者能空出雙手且無須配戴感測器的狀況下,以直覺的手勢、語音搭配視線完成自動化流程開發。
工研院機械所積極配合政府政策,並持續強化於基礎與先進技術發展,帶領產業轉型、突破現況,並深耕國內產業及掌握國際技術發展趨勢,藉由上述文章分享來拋磚引玉,請讀者參考指正。

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