運動控制之最小位移量與定位穩定性之研究

許多高階量測與成像應用中，如X—ray顯微應用與電腦斷層掃描應用，定位系統需要將樣品、感測器或鏡片進行精密定位。顯微應用，通常需要將物質的結構成像至次微米甚至奈米等級。若沒有理想的短時間或長時間定位穩定性，最後成像的品質將會受到影響。

另外，定位系統需要進行微步進的微調，許多時候甚至需要達到奈米等級的微步進微調，方可以將樣品或者鏡組定位至理想的量測位置。

由於光束定位應用(於本研究為同步輻射應用)中，步進馬達與伺服馬達為2種最常使用的機械系統驅動方式，故針對個別馬達與回饋裝置的最小位移量，短時間定位穩定性，與長時間定位穩定性等做實驗。

為了評估與分離這些面相與特性，設計了一套機械定位平台，能夠安裝不同的驅動馬達。此定位平台包含：使用步進馬達驅動12 mm 直徑與1 mm導承的螺桿，使用伺服馬達驅動12 mm直徑與1 mm導承的螺桿，或者使用線馬(線性馬達)進行驅動。這三種架構中，也分別測試了不同的回饋裝置，包含旋轉編碼器安裝於馬達上(1000 lpr；1 Vpp output)或者使用光學尺(glass scales；20 μm signal period；1 Vpp output)直接量測直線方向。

其中，最小位移量的測試，用於判斷實際上機械系統能夠進行的最小微調整，短時間定位穩定性的測試，或稱為抖動(jitter)，為在工作位至實際上量測其位移量(本研究使用4秒鐘做為測試條件)，最後，長時間定位穩定性使用了60分鐘做為測試條件，此測試在於系統進行一次位移後，整定時系統的定位穩定性，這也是常見光束實驗中，常見實驗條件。

測試設備使用共用的機械平台，而變數來源來自於驅動方式與回饋方式，因此能夠很有效的比較出不同變數條件的測試結果，如軸承種類、摩擦力造成的影響、預壓等級與生產製造流程產生的變數，均可以消除或降到最低。ANT180-L平台安裝於抽真空的鋁合金軌道上，並安裝於花崗岩上。此量測位置，在於此平台安裝面上25 mm位置。

於大部分的同步輻射應用中，量測位置不一定會剛好為此位置，因此僅為選定一常用位置進行量測，並且重點在於，比較不同的驅動與回饋方式的彼此差異。若為多軸架構，則變數與軸堆疊，軸位置均有關係，於此不進行討論。

量測工具架設機構，選用銦鋼 (Invar)材料製作以降低溫度起伏對於量測結果的誤差。另外，此量測結構設計的重點，在於確保結構之高剛性，以避免影響測試定位穩定性時的結果。本套量測系統的結構剛性約為615 Hz。

包含定位穩定性與最小位移量的位置量測資訊，使用電容式位移計進行量測，並且使用數位信號分析儀進行分析。所有資訊若沒有特別註明，定位穩定性與最小位移量使用了500 Hz低通濾波器(低於量測結構體第一共振頻率)，並搭配了熱電偶以判斷長時間量測實環境溫度，花崗岩溫度，與機台安裝面溫度。

所有的量測均使用線性放大器(Aerotech’s Ensemble HLe)。使用Ensemble系統，原因在於於同步輻射應用中，通常研究員會選擇此控制器。選用線性放大器的原因，在於避免PWM (脈寬調變)驅動器的雜訊被導入置量測結果內。

透過以上條件設定實驗結果：若需要最高等級的短時間(測試條件：四秒鐘)定位穩定性，選用滾珠螺桿搭配線性放大器會有最理想的性能(？2 nm pk-pk)，線性馬達在相同條件下可達到相去不遠(？4 nm)的定位穩定性，Aerotech有部分線性馬達平台型號可達到1-2 nm短時間定位穩定性。

然而，線性馬達定位平台於最小位移量測試與長時間定位穩定性中，測試結果遠超過任何滾珠螺桿傳動系統。線性馬達系統達到< 2 nm的最小位移量，滾珠螺桿系統若是使用伺服馬達，其最小位移量達50 nm，若使用步進馬達則高達250 nm。

雖然在滾珠螺桿搭配伺服馬達系統，若是搭配光學尺，將同樣可達< 2 nm的最小位移量，但於新的X-ray成像應用中，X-ray的能量提高(higher brilliance)將會需要掃描時間縮短，此時伺服馬達系統的速度限制，將有可能導致樣品受到損害等。

由於速度與速度穩定性的原因，於新的X-ray掃描應用中，使用者傾向使用直驅線性馬達搭配光學尺以達到最理想的最小步進微調，與高速定位的效果。

於長時間定位穩定性測試中，步進馬達表現最不理想，其溫昇問題導致數百奈米的定位穩定性飄移，並且其需要超過一小時時間達到平衡狀態。

於真空應用中，溫昇問題為最關鍵製程因素之一，因此伺服馬達在真空環境中會是比較理想的選擇，其電流值在不進行任何移動時是相當低的，此特性有效的降低溫昇，熱飄移等問題。步進馬達的溫昇約為線性馬達系統的23倍，約為伺服馬達系統的7倍。