臺灣博碩士論文加值系統

六自由度電控撲翼機平台為模仿鳥的拍翅軌跡平台，鳥的翅膀就像人的手臂一樣，每一個關節有三個自由度，一側翅膀有兩個關節，共六個自由度，所以需要六個馬達來完成。六顆馬達必須同步控制才能達到所要求的軌跡，而每個馬達都有其對應的速度命令，本研究針對馬達控制命令，做一控制系統，研究馬達能否在短時間內週期性的正反轉並且達到控制命令要求。控制系統是由FPGA晶片、馬達正反轉控制電路、數位轉速計、D/A(數位轉類比)與無線傳輸系統來達成。並在MATLAB環境下建構出撲翼機之機構，與Simulink結合，以利往後的馬達、剛體之模擬與運動分析，使得本論文能模擬與實作結合，讓本研究能有整合性及擴充性。

The electrically controlled six-degree-of-freedom ornithopter is a platform developed to imitate flapping motions of a bird's wing. A bird's wing is like a human's arm with each wing having two joints and each joint having three degrees of freedom. Therefore, a bird’s wing has six degrees of motion, which requires a total of six motors to complete the imitation. To faithfully follow the path of a flapping wing, the six motors have to be controlled synchronously. This thesis aims to design a motor control system, which drives the ornithopter platform to track the velocity command generated from the flapping motion of a bird’s wing. The control system is composed of a FPGA chip responsible for motor’s forward and backward motion control, digital tachometers to feedback the motor’s speed, D/A converters, and a wireless transmission system. The motor characteristics are identified first in the thesis and then used in the Matlab/Simulink environment to simulate the motion of the ornithopter mechanism driven by the proposed control system. Hardware testing is also conducted to validate the performance of the control system and to compare with the simulation results.

中文摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 2
1.3 國內外研究 3
1.4 設計概念 11
1.5 各章概述 13
第2章 撲翼機馬達控制設計 15
2.1 六自由度電控撲翼機構設計概念 15
2.2 拍翅路徑規劃視窗介面 18
2.3 馬達控制命令產生器介面 21
2.4 感測器應用設計 22
2.5 馬達系統辨識:暫態響應法 23
第3章 馬達系統辨識 25
3.1 系統架構 25
3.2 VHDL程式設計 26
3.3 RF無線傳輸電路實現 27
3.4 資料處理與參數產生 30
第4章 MATLAB中系統模擬與建模 33
4.1 SIMMECHANICS概述 33
4.2 撲翼機建模 36
4.3 馬達控制電路設計與模擬分析 41
4.4 整合系統 46
第5章 系統硬體架構 50
5.1 系統控制器FPGA與VHDL簡介 50
5.2 馬達規格 54
5.3 感測元件- AM256(磁式速度感測計) 55
5.4 控制元件- L6207(全橋式驅動電流控制) 57
5.5 RF傳輸模組 59
5.6 周邊介面電路 60
第6章 FPGA晶片程式設計 65
6.1 PI控制器推論之建立 65
6.2 PI控制器設計 65
6.3 撲翼機馬達速度控制命令設計 68
6.4 感測器速度產生設計 69
6.5 控制命令與量測速度誤差產生設計 70
第7章 系統整合與測試 72
7.1 感測器測試 72
7.2 控制命令速度測試 74
7.3 馬達控制命令載入測試 79
第8章 結論 81
8.1 結果討論 81
8.2 未來展望 82
參考文獻 84
附錄一 馬達控制命令 88
附錄二 VHDL邏輯電路方塊圖 97
自述 98

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