由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所以氣壓馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷推陳出新，且功能不斷的增強；同時各種控制方法與理論也不斷出現，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制，也開始新一輪的研究開發。本篇文章嘗試使用盛群半導體的HT32F52352微控制器(MCU)作為控制核心，研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。
IC技術提升有助氣壓馬達發展控制
氣壓系統在產業自動化中，屬於低成本自動化的領域，在各製造業中被廣泛應用，如自動進料退料系統、包裝機械、塑膠射出機、IC插件機、高速研磨機等，對於省力化、少人化的自動生產系統，扮演著極重要且基本的角色，同時氣壓系統若搭配適當的機構、感測器及電動機控制即是機電整合(Mechatronics)。
氣壓系統致動器依其運動方式之不同，可分為產生直線運動之氣壓缸、產生旋擺運動之氣壓旋擺器與產生迴轉運動之氣壓馬達。其中氣動馬達(Air Motor)與電氣馬達相較，氣動馬達有如下特性：
1.可以無限制的反覆正逆轉或停止、起動而不會燒毀。
2.起動或停止時的切換無火花產生，無爆炸之虞。
3.轉速的選擇範圍大。
4.受外界環境如濕氣、氣溫、塵埃等因素的影響少。
5.超負載時馬達停止不會有燒毀之虞。
6.重量、外型均較同馬力之電氣馬達輕巧。
雖然氣動馬達有上述之優點，但是由於氣體具有可壓縮性、高摩擦力、易於洩漏、非線性等問題，所以氣動馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行精密伺服控制。
然而，近年來隨著積體電路的快速發展，各種微電腦數位控制器的種類不斷的推陳出新，與功能不斷的增強；此外各種現代控制方法與理論也不斷地提出，諸如模糊控制、類神經網路控制、適應性控制、強健性控制等，使得過去無法與不易進行的氣壓系統精密伺服控制，如今也可以來研究開發。
目前國內關於氣動馬達伺服控制的研究較少，有學者使用DSP based之模糊控制器進行氣動馬達轉速伺服控制，有的則採用參考模型適應性控制(Model Reference Adaptive Control)進行氣動馬達轉速伺服控制。
上述研究分別採用價格昂貴之DSP與PC作為氣動馬達控制器之硬體，同時其控制器法則通常為複雜結構(Complex Structure)且需複雜演算，不易安裝於一般之工業控制器內。所以本研究以實際工業控制應用為考量，嘗試使用盛群半導體公司微控制器HT32F52352 MCU作為控制核心，研究開發以32位元微控制器為基礎之氣動馬達伺服控制器，進而探討HT32F52352 MCU於各種氣壓系統精密伺服控制應用上之可能性。
氣動馬達種類與原理
本篇文章將以實際商品研發為目標，研究開發氣動馬達伺服控制系統，其中包括：
1.氣動伺服馬達系統設計與製作。
2.以HT32F52352晶片為基礎之氣動馬達伺服控制器設計與製作。
3.HT32F52352 MCU Based氣動馬達精密伺服。
其與電氣馬達伺服控制作一對應比較，示意圖如圖1所示。
氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉換成旋轉的機械能的裝置，在氣壓傳動中使用最廣泛的是葉片式和活塞式氣動馬達。葉片式氣動馬達主要由1為轉子，2為葉片，3為進出氣孔，4為氣缸體等零件構成(圖2)。上有進、排氣用的配氣孔槽，轉子上銑有長槽，槽內有葉片。定子兩端有密封蓋，密封蓋上有弧形槽與進、排氣孔及葉片底部相通，轉子與定子偏心安裝。這樣由轉子的外表面、葉片(兩葉片之間)、定子的內表面及兩密封端蓋就形成了若干個密封工作區。
圖3為一小型活塞式氣動馬達，是一種通過曲柄或斜盤，將若干個活塞的直線運動轉變為回轉運動的氣動馬達。按其結構不同，可分為徑向活塞式和軸向活塞式兩種。活塞式氣動馬達適用於轉速低、轉矩大的場合。其耗氣量不小，且構成零件多，價格高。其輸出功率為0.2~20kW，轉速為200~4,500r/min。活塞式氣動馬達可用作傳送帶等的驅動馬達，圖4為活塞式氣動馬達的構造示意圖。
氣動馬達控制系統架構
MCU Based氣動馬達轉速伺服控制器主要是由氣壓源、空氣調理組、5口3位比例閥(FESTO MPYE-5-1/8)、快速排氣閥(FESTO MPYE-5-1/8)、輪葉式氣壓馬達(TONSON V1-L)、光學旋轉編碼器(HTR-W-500)、伺服控制器(核心為HT32F52352晶片)、個人電腦及相關運動控制電路所構成。其系統架構圖，如圖5所示。
氣動馬達伺服控制，其工作原理(MCU Based閉路控制)詳述如下：
使用者使用調速旋鈕(VR1)設定之氣動馬達轉速值，HT32F52352 MCU Based伺服控制器計算相對應之控制量，經伺服控制器內運算放大電路送出0~5V電壓至比例閥，比例閥依照輸入的電壓大小控制高壓空氣進入氣動馬達之流量，使得氣動馬達按照期望之轉速運轉。最後，經由光學編碼器的量測送出方波訊號至速度轉換器轉換為類比電壓訊號0~3V傳輸至伺服控制器，伺服控制器再根據此回授轉速值以及內建控制法則(Control Law)，調整輸出類比電壓訊號，進而達到氣動馬達轉速閉迴路控制。
其中位於氣動馬達出入口之兩只快速排氣閥，其功能是使氣動馬達排氣不再經由5/3氣壓比例閥排氣，而是經由快速排氣閥較大口徑排氣口排氣，由於氣動馬達排氣是經由最短路徑排放，阻力最小，氣動馬達背壓減小，因此氣動馬達轉速大幅增加。氣動馬達轉速閉迴路控制方塊圖，如圖6所示。
在對氣動馬達系統進行伺服控制器設計之前，本文將以實際實驗資料對氣動馬達進行開路系統鑑別，其目的是將氣動馬達轉動動態方式，此一非線性函式以一線性回授控制系統型式表示之，以便後續伺服控制分析與設計。本文設計之氣動馬達系統鑑別方塊圖如圖7所示。
此一MCU Based的氣動馬達轉速伺服控制器，乃是使用兩顆盛群HT32F52352的微控制器作為運動控制核心，其主要功能有二項：
1.第一顆微控制器對氣動馬達，進行功能控制，包括LCM操作功能顯示、讀取功能鍵訊號。
2.第二顆微控制器根據功能設定，對氣動馬達進行轉速伺服控制。
MCU位居氣動馬達控制核心
主要是由HT32F52352晶片與運算放大電路所構成，方塊圖如圖8所示，功能分述如下：
1.HT32F52352晶片擔任主控制器的任務，根據功能選擇開關輸入(1組4連動開關)，讀取輸入電壓值(ADC1~4)，進行不同功能氣動馬達控制。
2.放大電路，使用741運算放大器將0~3V電壓放大0~5V，送至比例閥。
MCU速度顯示器電路
主要是由HT32F52352晶片、與一LCM顯示器電路所構成，其工作原理詳述如下。因本氣動馬達最大轉速為6,000rpm，所以採用一LCM顯示器來顯示轉速，此LCM顯示器之8bit資料匯流排與PortB連接，4bit控制匯流排與PortC連接，HT32F52352晶片讀取速度轉換器送來之電壓並計算相對應之轉速並顯示轉速。
MCU Base馬達測試結果
本文將作品分成氣壓馬達系統、驅動電路、七段顯示器電路與HT32F52352晶片部份進行個別實機測試，最後再將四個系統組合起來進行整合系統實機測試。
首先是氣動馬達系統組裝與測試，氣體壓力設定為4bar，由電源功供應器提供0~5V直流電壓給5/3比例控制閥，改變氣體壓力，量測氣壓馬達的轉速特性。
接著是速度轉換器校正與測試，使用波形產生器產生不同頻率之方波給轉速轉換器(Frequency to Analog Converter)，搭配數位示波器與三用電表觀察其波形頻率與輸出電壓，校正設定轉速轉換器輸出為2,000rpm/Volt。
至於電路板測試，本作品電路主要為下列三項不同功能電路，搭配 HT32F52352晶片所組成，分述如下：
A.電源供應電路：使用78012IC與7805IC提供電路所需之正負12V與正5電壓。
B.電壓放大電路：使用OP741IC將0~3V電壓放大0~5V以驅動比例閥。
C.顯示器與旋鈕開關：包括一個LCM顯示器，兩個可變電阻旋鈕，一個4連動開關。
LCM顯示器功能測試則使用HT32F52352 MCU與2×16 LCM顯示器進行各項轉速顯示測試。
總結來說，目前市面上並沒有關於「氣動馬達伺服控制」整體解決方案(Total Solution)，包括氣壓系統、電控系統與控制法則，其中尤其以具有高性能、低價格之微控制晶片為核心的電控系統開發，更為氣壓馬達伺服控制整體解決方案之重要關鍵。
氣壓馬達系統在產業自動化中，屬於低成本自動化的領域，在各製造業中被廣泛應用，但受限於氣壓馬達伺服控制技術尚未完備成熟，所以目前氣壓馬達的應用多屬簡單的開路控制，無法像電氣馬達進行伺服控制，所以此一產品的開發將提升與擴展氣壓馬達應用層面與領域，將使氣壓馬達更具實用性與市場競爭力。
