｜基於數位控制應用於雷射振鏡定位技術介紹

摘要：現今電子產品之發展趨勢不僅須提供強大功能，其外型亦要求輕小。為了滿足此需求，於許多電子產品之製造上，雷射加工技術已逐漸取代傳統機械加工方式。在眾多雷射系統中，振鏡式雷射加工系統於近年來備受注目，其原因在於該系統之掃描元件－振鏡馬達具有高轉矩-轉動慣量比、時間常數小和響應速度快等優點。而目前市售雷射振鏡系統大多搭配類比式控制器，雖然類比系統擁有高解析度與取樣速率無限制等優點，但類比式控制架構卻有控制參數調整不易、控制策略之挑選受限制和參數容易受外在環境影響等缺點。為解決上述問題，本文將發展一應用於雷射振鏡系統之數位控制器。

在雷射振鏡系統之定位控制問題上，本文選用擁有線上運算容易和控制效果良好等優點之模型預測控制法則，再藉由田口方法尋求其最佳控制參數組合，並與基於基因演算法之比例積分微分控制器和本文所改良之虛擬微分回授前饋控制器進行性能比較，最後以實驗驗證本文所提方法之可行性。實驗結果顯示，模型預測控制法對於不同振幅之步階命令，均能有效地同時降低振鏡定位系統的安定時間、最大超越量與穩態誤差。

Abstract: The developing trend in modern electronic devices is to design and manufacture versatile, powerful, lighter and smaller products. In order to meet this requirement, traditional machining approaches have been gradually replaced by laser machining, in many electronic product manufacturing processes. Among the laser machining applications, the galvanometer laser system attracts a lot of attention due to the fact that the galvanometer has many attractive features such as high torque-to-inertia ratio, low time constant and fast response for machining. In general, most commercial galvanometer laser systems are equipped with analog controllers. Although the analog controller has advantages such as high resolution and unlimited sampling rate, it also has several drawbacks, for example, difficulty in tuning the control parameters, limited choices of control strategies, and that control parameters are sensitive to the environment. To overcome the aforementioned difficulties, this thesis is aimed at developing a digital controller for the galvanometer laser system.

Due to the capability of online calculation and good control performance, the Model Predictive Control (MPC) approach is employed in this thesis to deal with the position control problem of the galvanometer laser systems. In the proposed approach, the optimum parameters of MPC are determined using the Taguchi method. Furthermore, a performance comparison among the proposed MPC-based approach, the GA-based PID controller and the Pseudo Derivative Feedback (PDF) with Feedforward controller modified in this thesis is also performed. Finally, several experiments have been conducted to verify the feasibility of the proposed approach. Experimental results demonstrate that the proposed approach can effectively reduce the settling time, maximum overshoot, and steady-state error of the galvanometer positioning system under different amplitudes of step input commands.

關鍵詞：振鏡馬達、模型預測控制、田口方法

Keywords：Laser Cladding, Carbon Film, Metal Bipolar Plate, Fuel Cell

前言
雷射加工因為有非接觸、無汙染、高精度和高效率等優點，在產品發展趨勢日益微小化、高密集化的現今，已漸漸取代傳統機械加工之地位。雷射加工的應用範圍很廣，不論是破壞性製程，如雕刻、切割、鑽孔等，或是修補性製程，如表面處理、焊接、補模等均可勝任，其中雷射鑽孔是最早被應用於實際製程中的加工技術[1]。在機械製程中，孔加工佔有相當比例，例如：各式噴頭（印表機、引擎等）、儀表零件等。其困難點在於：尺寸小、數量多、精度要求高和形狀複雜等。相較於傳統機械加工方式，雷射鑽孔擁有以下優點[2]：

．速度快，每秒可達1000孔以上，經濟效益高。
．可應用於直徑100μm以下的孔徑需求。
．可獲得較大的深寬比。
．可應用於高硬度、高熔點或軟性基板等材質。
．可應用於複雜的加工物件。
．加工時間短，熱影響區域小，不需特殊保護。

隨著體積縮小化、質量輕與多功能化的產品不斷推出，例如現行之印刷電路板（PCB）製造也開始往小型化、多層化的方向發展。面對PCB產業高精度、高速率和大產量的產品需求，引入擁有類似性能的雷射製程是目前較多人所採用的解決方式。典型的雷射加工系統包含：雷射源、光學傳輸系統、光學掃描系統、控制系統、光學平台和冷卻機制等。針對要求高精確度與快速定位之雷射鑽孔，過去固定雷射光入射位置，僅藉由移動加工平台來完成XY平面運動之策略已經不適合使用；目前均採用固定加工平台，並透過兩個正交放置之反射鏡的小幅度偏轉，來達成掃描之目的，極高的運動速度是雷射系統的優點之一，其中的關鍵便是如何準確與快速控制雷射振鏡系統的運動，其關鍵組件即為-振鏡馬達（Galvo Motor），而關鍵技術在於發展一高性能精密定位之運動控制器以達到加工需求。在國外，微孔加工技術已成為雷射應用的研究重點之一；而最近幾年來，國內亦開始重視其相關發展。