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雙軸馬達同步控制之研究

如今的工業界有許多領域需要達到同步運作或者彼此之間的協同配合，例如空間軌跡加工運用之CNC機台、多軸機械手臂的同時運作、攻牙機…等，而其中在各軸的運動控制，其響應因裝設不同馬達而有所差異，本論文以兩軸響應不同之馬達，分別為感應馬達以及伺服馬達，來做雙軸同步控制。 由於兩軸之響應有著極大的差異，導致兩軸會有嚴重的同動誤差，使得需要在精度極為精細的攻牙機，或者是在空間軌跡加工之CNC機台中，會產生崩牙或者嚴重的加工偏差，在此本研究於兩軸的扭矩控制模式下，做雙軸的同步控制。主要在電流迴路加入DOB干擾觀測器、位置迴路導入交叉耦合控制器(cross-coupled control, CCC)及前饋控制器，藉由這些補償器，消除兩軸因不同暫態響應而造成的同步誤差。在許多加工運作裡，馬達的做動會因摩擦力而在暫態響應有嚴重的差異，這使得雙軸同動時會有嚴重的誤差，本論文在扭矩迴路下加上DOB補償以消除摩擦力對於加工時所造成的影響。 本論文之伺服控制架構，將以自己所架設之實驗平台做模擬以及驗證，呈現伺服馬達與感應馬達於伺服迴路的控制下所得到的效果，並於所架設之平台分析其中的缺陷以及不足。

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永磁同步馬達振動預測與驗證平台研製

本論文建置預測技術平台主要是針對集中捲嵌入式永磁同步馬達（Interior permanent magnet synchronous motor , IPMSM）的振動問題進行有限元素法求解。針對低功率永磁馬達建置振動預測系統，以電磁-結構之雙重物理耦合場解析為目標，運用有限元素軟體(Maxwell)對馬達的電磁場進行求解，求出電磁力作用在轉、定子上的分佈及大小，後續將此電磁力數據匯入，進行電磁-結構雙重物理耦合場問題求解，以模擬逼近真馬達真實振動歷程。後續設計振動驗證平台，透過此平台進行馬達振動與噪音物理量直接量測，將模擬和實測數據進行一致性比較，建立振動預測系統之可性度。在建立高可性度之低功率永磁馬達振動、噪音預測系統之後，可調控馬達相關機結或電磁參數，以研究調控參數對振動與噪音的響應，並找出各個參數對振動的敏感度，從而提出振動改善之具體方案。

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智慧型運動控制器

本計畫主要針對馬達驅動之運動系統，使用干擾觀測器(Disturbance Observer)架構，該控制架構主要使用驅動器之扭矩迴路，再自行架設速度迴路之PI控制器，由馬達輸出之轉速作為DOB之輸入訊號，而DOB之架構為參考模型第一階的倒數，DOB所得之輸出扣除輸入之訊號再經由一個有增益值的積分器回授於輸入端補償，使馬達轉動達到預期之結果，其中選用Butter worth低通濾波器，濾除輸出轉速之不必要雜訊使得干擾觀測器在實驗平台上得到有效的結果。該控制方案可以減少由參考模型和未知的系統模型之間的差異所造成的不確定性與摩擦力。 另外提出一個消除系統由非線性因素所造成之自我激發振盪(hunting)之抑制控制架構與控制命令平滑化架構，自我激發振盪控制架構是用於速度迴路，並使用類神經演算法調整出該控制抑制架構Ks 、Ka值，使得振動抑制控制架構可以有效抑制此系統所造成的振盪，控制命令平滑化架構用於位置迴路，增加前饋參數使馬達輸出結果達到優化，再使用基因演算法調整前饋參數得到最佳化參數。

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電子迴旋共振電漿於本質矽薄膜沉積製程之研究

本研究整合Langmuir電漿探針、光放射光譜儀(Optical Emission Spectroscopy , OES)以及四極柱質譜儀(Quadrupole mass analyzer, QMS)等設備，並搭配磁化電漿模型修正、光化線強度測定(Optical Actinometry)以及電離能閥值質譜分析 (Threshold ionization mass spectrometry,TIMS)等方法針對電子迴旋(Electron cyclotron resonance,ECR)共振化學氣相沉積矽薄膜製程進行探討。本研究之主要目標係為理解在進行本質型矽薄膜沉積製程時，ECR電漿工作參數、電漿內部性質以及矽薄膜性質三者間之關聯，除分別量測電子溫度、電/離子密度、電漿電位等電漿物理性質以及自由基化學組成的改變外，再根據相對應之製程參數所生成之本質型矽薄膜之光敏感度、微結構因子以及氫含量等矽薄膜特性，建構工作參數、ECR電漿特性以及矽薄膜性質之關聯性與運作機制理論，改善矽薄膜結構性質、光敏感度與沉積均勻性。此外，電漿診斷方法以及不同設備間之相異結果也在本研究中被討論並說明，吾人發現：OES自由基光譜比值，確實可做為電子溫度趨勢的相對指標，然而, 在ECR-CVD電漿製程中，使用Hβ /Hα 較 Si/SiH 更為適當。此外，實時原位探針診斷需考量探針沉積物對量測結果的影響；ECR-CVD製程中，磁場所造成的陰影效應比過去文獻中所估計地更為嚴重。薄膜沉積速度不僅受到電子密度與電漿中矽薄膜前驅物(SiHx)濃度影響，事實上，在如ECR-VD等高表面能的環境下，矽薄膜生長速度受到電漿物理狀態所影響的程度，可能會大於過去研究的估計。在ECR-CVD製程中，微結構因子與TIMS定量計算所得之SiH2 /SiH3 自由基相對濃度趨勢高度吻合, 且R*在大部分的情況下皆與光敏感度呈正相關，故SiH2 /SiH3可作為未來製程中的薄膜品質預測指標，於higher silane不易觀測的時候，取代傳統HSRS (higher silane related reactive species)法。電漿均勻度大致等效於薄膜均勻度，薄膜性質多受電漿巨觀特性影響，無法依照電漿各點狀態作為連結依據。最終，吾人除成功整合電漿診斷工具與方法外，並發現由於檢測設備的功能侷限性，以及電漿的複雜性質，單一診斷工具容易造成誤判，因此整合Langmuir probe, QMS與OES進行電漿診斷確有其必要性。

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以微陽極導引電鍍法製備銅螺旋微米結構與其機械性質分析

本研究使用微陽極導引電鍍法在銅片基材上電鍍微米尺度之銅螺旋結構物。採用直徑為 75 μm 之白金絲，經樹脂鑲埋後露出 角 錐狀、圓盤狀兩種不同形狀微陽極，在含硫酸銅溶液之鍍浴中，控制微陽極與銅片間偏壓在3.4 V，並維持微陽極與銅基材（ 或螺旋結構物） 頂端之間距在 30 μm，進行微陽極導引電鍍。結果顯示：在圓盤狀微陽極電鍍所得之微螺旋的線徑均勻度較佳，隨電鍍時間增長下，粗細不均的現象較不明顯。 藉由商用 COMSOL軟體來模擬兩種不同形狀微陽極導引電鍍過程之電場分布，得知在使用圓盤形微陽極微電鍍過程，其電場分佈較適合生長線徑均勻之微螺旋。 以圓盤形微陽極導引電鍍法在製作銅螺旋之微結構時，依據 COMSOL 軟體之電場強度模擬結果與實際實驗交互比對，可以推測可行的析鍍電場強度範圍需要高於 10 kV/m 以上，此工作範圍將決定銅微螺旋之直徑與螺距之大小。當螺旋直徑由 230 μm 增加到 470 μm，微螺旋線徑會逐漸下降，且螺旋線徑均勻 度上升；螺距由 145 μm 增加到 250 μm 時，微螺旋線徑也會逐漸下降，螺旋線徑均勻度上升。本研究製程在螺旋之直徑為 390、 470 μm，螺距於215、 250 μm，可以得到均勻的銅微螺旋結構，其螺旋線徑變化量小於 10%。 若改變鍍浴中銅離子濃度使其電導率介於 5、 10、 15 及 20 S/m 之間，以圓盤形微陽極導引電鍍銅螺旋結構，結果發現鍍液之電導率 5 S/m 時，獲得之銅螺旋結構最均勻 ，其螺旋線徑增加量可低於 15%，隨著鍍液之電導率上升至 20 S/m，其螺旋線徑增加量將高達 76.3%。經微力壓縮實驗與奈米壓痕試驗來研究微螺旋之機械性質，所得銅微螺旋之硬度、楊氏模數與彈性常數接隨電鍍浴電導率上升而提高，電導率 20 S/m 之鍍液析鍍出之銅微米螺旋結構的硬度為 0.355 GPa，楊氏模數為 5.445 GPa，彈簧之彈性常數為0.775 mN/μm。

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平面雙軸式磁通閘之分析與應用

隨著科技進步，感測器的應用已廣泛應用於汽車、醫療、智慧型產品等，若能進一步將目前成熟的半導體製程用於磁感測器之製作，將是一種極具開發潛力之應用。磁力計是用於量測磁場，再將該訊號轉換成電訊號輸出的元件，由於各種磁場感測器的原理及方法並不相同，且每種都有其限制，本研究將針對量測線性範圍約為幾十μT之磁通閘進行設計開發，希望可進一步與電子元件或其他裝置整合，開發出新型的磁感測器。 本研究首先利用ANSYS Maxwell 3D進行磁通閘的元件模擬，在模擬部份本研究改變線圈及磁芯參數去觀察最大磁通密度變化的狀況，發現線寬與線距越大對於磁通密度是成正比，不過現今感測器趨勢，放大並不是現今主流，故本研究決議以固定元件面積(5 cm×5 cm)並改變線圈寬度與線圈間距，再以PCB板進行實作驗證，希望能將模擬與實作整合並進行分析。 最終發現，由於元件線圈寬度不同，導致在相同電流下，產生的激發磁場有所不同，使磁芯飽和狀況有異，故量測的靈敏度有所高低，並發現靈敏度與線性程度並不成比例，但是藉由匹配不同磁芯寬度與激發電流的情況下，可以找到較佳值，目前在本研究測試歸納得到，在激發頻率50 kHz下採用不同參數值，可達到最佳靈敏性366.4265 (V/T)且線性量測範圍為0~75 µT，以及最佳線性度0~100 µT且靈敏性219.1429 (V/T)，預期後續將針對訊號處理儀器進行電路修改測試，進而達到晶片整合化的移動裝置。 關鍵字：磁通閘、感應電壓、感測器

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兩相冷卻系統之微蒸發器研究

本研究利用單相熱交換器的微流道設計，與廠商合作開發出泵浦，將熱交換器配合泵浦修改，使其成為一體化設計的薄型水泵，製作出較薄的取熱端，成為小型冷卻系統。與市售的系統比較，本研究製作的水泵在性能不變的情形下，可降低系統重量83 %，減少單相冷卻系統的耗能66 %。 另進行兩相的研究，藉由可視化的觀察以及熱傳實驗，了解蒸發器內部的現象。直線流道與山型紋流道熱交換器，在兩相實驗中，壓降隨著乾度與流量的增加而增加，此現象符合傳統的兩相理論。 兩相熱傳研究方面，山型紋流道的熱傳係數隨著乾度與流量的增加而增加，直線流道則是相反，熱傳係數隨著乾度增加而減少。從可視化觀察中，山型紋流道在實驗中，因為表面張力的作用，使上下流道的夾角聚集液體，當乾度增加時，流道底面仍保有液體蒸發，流道不會乾涸。 直線流道觀察到乾涸現象，計算乾涸的時間與面積。在加熱量60 W時，53 %的時間流道內沒有液體，平均乾涸的面積有26 %。以乾涸面積與時間乘積為乾涸比例，發現乾涸比例與加熱量呈現線性關係。加熱量越高，乾涸的時間與面積均上升。 山型紋蒸發器不易乾涸且熱傳係數較高，同時所需的泵動力低於單相狀態，更適用於兩相冷卻系統。

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鎂含量與安定化對5000系鋁鎂合金腐蝕與機械性質之影響

藉由微結構觀察、腐蝕與機械性質之量測，探討鎂(3-6wt%)含量與安定化退火對5000系冷輥鋁鎂合金敏化之影響，結果顯示，冷輥合金與經安定化退火之冷輥合金，兩者均無β相之析出。合金經敏化處理後，冷輥態合金之晶界呈現明顯的β相析出與腐蝕，且隨著鎂含量的增加，析出愈明顯且連續;而經安定化退火，抑制了合金敏化現象的發生，除了高鎂合金外，並未顯現嚴重之β相沿晶析出與腐蝕。 鎂原子的添加，除了增加鋁鎂合金固溶強化效果外，也降低了合金的疊差能，拉伸變形時，合金將顯現高加工硬化速率，有效抑制頸縮的發生，導致鎂含量愈高時，合金之強度與延伸率就愈高。另外，敏化處理降低了合金之鎂原子固溶強化效應，但對於加工強化效應並沒有顯著影響，所以與敏化前之機械性質相比較，其變化率將隨鎂含量增高而增大。而經安定化退火對機械性質之影響，與敏化處理相反，安定化退火降低了合金之加工強化效應，但對於固溶強化效應並沒有 影響，所以其變化率與合金鎂原子含量關係不大。

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顆粒形狀對顆粒體在旋轉鼓內流動行為之影響

本研究利用離散元素法(DEM, discrete element method)模擬球形及非球形顆粒在類二維的旋轉鼓中的運動行為。本研究旨在探討因顆粒形狀所產生的差異，利用多球法分別組成球形、雙球形、兩種橢球形及膠囊形顆粒，藉由計算不同的填充率及轉速下旋轉鼓中顆粒的擾動速度分佈、粒子溫度、擴散位移、和平均動能等傳輸性質，探討五種形狀顆粒的流動行為。本研究結果顯示，深度方向及旋轉方向的流動層擾動速度分佈呈現馬克士威速度分佈，且以膠囊形速度最均勻，旋轉方向的擾動速度分佈圖中，其旋轉速度的均勻程度以膠囊形最大、球形最小，且不隨旋轉鼓受載條件改變而影響。粒子溫度的結果則顯示五種形狀顆粒的總體粒子溫度趨勢與平移的粒子溫度相近，且因受到互鎖效應之影響，使得各形狀顆粒的分佈及大小皆有不同。五種顆粒的擴散位移與時間的關係圖趨勢相當接近直線，旋轉的擴散係數以球形最大、橢球形Ⅱ最小，且其大小排序也不隨旋轉鼓受載條件改變而影響。平均動能的結果則顯示，顆粒的堆積崩塌與顆粒形狀有密切相關，使各形狀顆粒的圖形並不交疊。沿著深度方向的速度分佈可以發現，主動層呈現混合型的流況，且愈接近主動層表面，則各形狀顆粒的差異愈明顯。剪應變率的結果顯示，以橢球形Ⅱ成長最快且有最大的剪應變率，而膠囊形的剪應變率則為最小，最大剪應變率則發生在距主動層約4顆顆粒短軸直徑處。在翻滾形態時，流動層的形狀會隨轉速變化，且各形狀顆粒的流動層形狀及變化皆不相同。動態安息角的部分則發現，除了雙球形顆粒之外，動態安息角會隨轉速的變大而增加，而填充率增加也會使其小幅提升，雙球形顆粒則因受到較強的互鎖效應之影響，使其只有在較高轉速下才有此現象，動態安息角幾乎以球形為最小，橢球形Ⅱ則略大於橢球形Ⅰ，膠囊形顆粒則大致介於橢球形Ⅰ及球形之間。

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熱處理條件對鈦合金SP-700磨耗特性與腐蝕行為之影響

藉由磨耗與腐蝕實驗，評估不同熱處理對SP-700鈦合金之微結構、抗磨性與耐蝕性之影響。熱處理方式為於850℃固溶後以水淬、空冷、爐冷等不同冷卻速率降至室溫，於500℃再進行1小時時效處理。結果顯示水淬合金之微結構由硬脆初析αp相、α’’相與軟韌βr相所組成，空冷與爐冷合金之微結構皆形成硬脆初析αp相、α相與軟韌βr相，此兩者差別在於空冷合金微結構包含較細緻α相，而爐冷合金則含有較粗大α相。三者硬度為空冷合金最高，其次為爐冷合金，最軟為水淬合金。經時效處理後，由於α’’相與βr析出細小α+β平衡相，合金硬度皆有所提升。 磨耗結果顯示SP-700鈦合金磨耗形式受硬度影響。當材料硬度越高時，其抗磨性越佳。水淬合金由於硬度最低，於磨耗過程中容易產生塑性變形與微裂痕，而導致表面破碎且表面起伏劇烈；硬度稍高的空冷與爐冷合金不易有塑性變形或微裂痕產生，故為線性磨耗溝，表面起伏較小；時效過後的合金，合金硬度皆明顯大幅提升，不易有塑性變形或微裂痕產生，故會形成較淺之線性磨耗溝，且表面起伏最小。 腐蝕研究發現表面α相的多寡與顆粒大小會影響到腐蝕行為的表現，β穩定元素能夠提升抗蝕性，由於α相含有較少β穩定元素，故會增加材料的活性與腐蝕速率。水淬合金會在腐蝕過程中與表層形成鈍化層保護內部，其抗蝕性較佳；空冷與爐冷合金因α相形貌較為粗大且無形成鈍化層保護內部，相對於水淬合金抗蝕性稍差；時效過後，因會析出α相，表面活性與腐蝕速率皆因此增加，故抗蝕性皆差。