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研究生: 李政穎
Lee, Cheng-Ying
論文名稱: 磁性編碼器之參考點開發
Development of Reference Mark on a Magnetic Encoder
指導教授: 宋震國
Sung, Cheng-Kuo
口試委員: 金重勳
張禎元
林巧奇
徐志豪
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2022
畢業學年度: 111
語文別: 中文
論文頁數: 184
中文關鍵詞: 磁性編碼器多極式充磁參考原點
外文關鍵詞: Magnetic encoder, Multi-poles magnetization, Reference mark
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  • 多極式充磁製程具有製程時間短及誤差高重現度之優勢;然而,此製程尚無法為以此製程充製之磁性編碼器提供一參考原點,為達誤差補償之目的,原點訊號必需開發。
    磁性編碼器之參考點一般透過廠商於使用者指定位置充製原點,此方式使編碼器為訂製產品,導致時間成本的增加;為降低磁性編碼器之製造時間,必需開發使用者自行設置原點之方法。
    本研究提出三種方法建立磁性編碼器之原點訊號。其中,多極式充磁製程使用兩種方法,即局部電流改變方法及局部幾何改變方法,在製程階段即充製原點;局部電流改變方法透過更改多極式充磁頭其中一極之電流大小,使磁記錄媒介原點充磁處提供較大之磁通密度量值;局部幾何改變方法透過更改多極式充磁頭其中一極之幾何形狀,使磁記錄媒介原點充磁處提供不同特徵之場形。第三種方法為參考點自行設置方法,是透過永久磁鐵對已充磁之磁記錄媒介進行額外充磁,此方法同樣提供不同特徵之場形。針對以上方法所提供之場形開發的原點訊號,在線性馬達以0.1 mm/s的速度量測達到 之原點誤差,其中,局部幾何改變方法及參考點自行設置方法不影響定位精度,局部電流改變方法則會使定位精度產生影響。


    The multi-pole magnetization process has the advantages of fast manufacturing and high reproducibility of the positioning accuracy. However, this process is not yet allowable to produce a reference mark that is crucial for achieving error compensation of the motion stage installed with this type of magnetic encoders.
    Generally, the reference mark is applied by the manufacturer at the position specified by the customer. This makes the magnetic encoder a customized product, which in turn increases the time cost. To lower the manufacturing time of a magnetic encoder, a method for the user to directly apply the reference mark must be developed.
    This study proposed three methods to establish the reference mark on the magnetic encoder. The first two methods, i.e., local current change method and local geometry change method, establish reference mark during multi-pole magnetization process. The local current change method makes one of the windings with larger current than the others, which results in the position where reference mark magnetized with greater flux density. The local geometry change method produces one of the poles of the magnetizing head with different geometry from the others, which causes the position with magnetized reference mark to provide different field profile. The third method, called self-setting zero reference method, magnetizes the incremental magnetic scale with permanent magnet additionally. This creates a different field profile. The zero reference signals are then developed with those field profile. For each method, the zero reference error is within the range of with the linear motor measuring at the velocity of 0.1 mm/s. Moreover, the positioning accuracy is not affected by the methods of local geometry changed method and self-setting zero reference method while local current changed method affects the positioning accuracy.

    摘要 I Abstract II 致謝辭 IV 目錄 V 圖目錄 IX 表目錄 XVII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 技術背景 3 1-2.1 編碼器之用途 3 1-2.2 磁性編碼器之架構及種類 4 1-2.3 磁記錄媒介之製備 6 1-2.4 磁性編碼器之編碼方式 12 1-3 文獻回顧 18 1-4 研究動機與目的 39 1-5 本文架構 41 第二章 研究理論 43 2-1 磁化理論 43 2-1.1 磁性材料 43 2-1.2 磁滯迴路(Hysteresis loop) 44 2-1.3 充磁過程 46 2-2 磁阻效應 47 2-2.1 異向磁阻效應 48 2-2.2 巨磁阻效應 50 2-2.3 穿隧磁阻效應 52 2-2.4 交換偏壓耦合於巨磁阻及穿隧磁阻之應用 54 2-2.5 磁阻元件於增量式磁性編碼器之應用 57 2-3 霍爾效應 60 2-4 數位濾波器 61 2-4.1 有限脈衝響應濾波器 (FIR Filter) 62 2-4.2 無限脈衝響應濾波器 (IIR Filter) 63 第三章 磁場模擬方法及原點場形建立方法 66 3-1 模擬模型建立 66 3-1.1 模型建立與前處理 66 3-1.2 求解及後處理 68 3-1.2 模擬結果與討論 70 3-2 原點場形建立 71 3-2.1 多極式充磁—局部電流改變方法之模擬建立 72 3-2.2 多極式充磁—局部幾何改變方法之模擬建立 73 3-2.3 永久磁鐵充製參考點方法 75 第四章 實驗設備與架設及數位濾波器之設計及應用 76 4-1 實驗設備與架設 76 4-1.1 實驗設備 76 4-1.2 實驗架設 80 4-2 數位濾波器之設計及應用 85 第五章 多極式充磁—局部電流改變方法 94 5-1 原點訊號建置方法 94 5-2 模擬結果分析 96 5-2.1 場形、磁極距及磁通密度峰值分析 96 5-2.2 定位誤差分析 101 5-3 幾何參數改變模擬分析 103 5-3.1 磁極距及磁通密度峰值分析 104 5-3.2 定位誤差分析 105 5-4 實驗結果 106 5-4.1 磁通密度及定位精度量測 106 5-4.2 原點重複度量測 110 第六章 多極式充磁—局部幾何改變方法 112 6-1 原點訊號建置方法 112 6-2 增量列模擬結果分析 115 6-3 實驗結果 119 6-3.1 定位精度量測 120 6-3.2 磁通密度量測 121 6-3.3 原點重複度量測 127 第七章 參考點自行設置方法分析 129 7-1 永久磁鐵相關參數及實驗方法 129 7-1.1 永久磁鐵相關參數 129 7-1.2 實驗方法 133 7-2 1 mm寬度永磁充磁結果分析 134 7-3 2.8 mm寬度永磁充磁結果分析 140 7-3.1 定位精度量測 140 7-3.2 磁通密度量測 141 7-3.3 原點重複度量測 152 第八章 結論與未來工作 156 8-1 結論 156 8-2 研究貢獻 159 8-3 未來工作 160 參考文獻 162 附錄 167 A. 圖表附錄 167 B. 塊狀永久磁鐵數學模型及其應用 174

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