臺灣博碩士論文加值系統

隨著現今社會市場上自動化之腳步，自動控制越來越重要，從工廠線上作業機械如生產打件機械或裁紙輸送機械，到家中電器用品如自動門防夾裝置或變頻式冷氣等，皆與自動控制相關。而數位控制亦在科技產業中佔有一席之地，除了生產線的自動化控制外，像是機器手臂的定位控制、輸送裝置的定速控制、暖氣機的定時恆溫控制等，皆可由數位控制系統加以完成。由於微處理器快速發展，使自動控制更易於實現在嵌入式系統中。因此，培育數位控制領域的人才便相當重要。本文提出一數位控制系統學習平台，結合通用串列匯流排(Universal Serial Bus，USB)的特性，以直流馬達完成比例-積分-微分(PID)的速度與位置控制，也鑑別直流馬達特性參數以完成控制演算法的分析。同時也公開分享所有資訊，包含電路圖、佈線圖、材料清單、硬體架構、韌體和軟體的來源程式碼，相信將有助於學子們的學習腳步，增加學習之效率。

The purpose of the thesis is to devise a low cost but versatile learning platform to help those students quickly acquire the knowledge and implementation skills about digital control algorithms. The platform is equipped with a USB (universal serial bus) port which lets students access the control results and change control parameters easily via personal computers. The students can learn to implement digital proportional-integral-derivative (PID) controllers with anti-windup capabilities for DC motors, and observe quickly how well the speed or position outputs are controlled on personal computers. Most of the mathematical parameters for DC motors can also be identified by using the platform. All the hardware layouts, bill of materials (BOM), firmware for microcontrollers, and software for personal computers will be open to interested students and teachers in Taiwan, such that they can make their own platform with a cost no more than 1800 NTD.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 論文之貢獻 3
第二章 平台之軟硬體架構 4
2.1 系統架構方塊圖 4
2.2 微控制器(Micro Controller Unit) 5
2.3 馬達驅動電路 7
2.3.1 脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM) 8
2.3.2 單極性(unipolar)與雙極性(bipolar)驅動 9
2.3.3 馬達電流偵測(Current Sense) 11
2.4 數位類比信號轉換器(DAC) 13
2.4.1 SPI韌體傳輸 13
2.4.2 轉換刻度 14
2.5 定位編碼器介面(QEI) 17
2.6 線上串列燒錄(ICSP) 18
2.7 發展軟體及工具環境 19
2.7.1 開發環境MPLAB 19
2.7.2 燒錄軟體WinPic Programmer 20
2.8 監控介面 20
第三章 通用串列匯流排(USB) 23
3.1 基本概念 23
3.2 量子化FIFO概念 24
3.3 USB 2.0晶片組 25
3.3.1 FX2之硬體架構 25
3.3.2 Slave FIFO之外部控制界面 26
3.4 Slave FIFO存取控制 27
3.4.1 Slave FIFO非同步模式之寫入 28
3.4.2 Slave FIFO非同步模式之讀出 29
3.5 軟體設計 29
3.5.1 應用程式 30
3.5.2 韌體程式開發環境 31
3.5.3 韌體程式架構 31
3.6 實際操作 33
3.6.1 安裝Cypress EZ-USB FX2驅動-EEPROM MISSING 33
3.6.2 安裝Cypress EZ-USB FX2環境與EEPROM燒錄 33
3.6.3 Slave FIFO_ASync範例程式修改說明 34
3.6.4 微控制器USB韌體程式 34
3.6.5 監控介面設計說明 35
3.7 傳輸封包與通訊協定 36
3.7.1 同步碼與標頭碼 37
3.7.2 資料封包 37
3.8 PC端監控介面應用程式 39
3.8.1 按鍵元件 39
3.8.2 計時器元件 40
3.8.3 執行緒元件 41
第四章 數位控制系統 42
4.1 數位控制系統之簡介與取樣(Sampling) 42
4.2 數位控制系統之取樣時間的選擇 43
4.3 數位控制系統之優點與缺點 45
4.4 PID控制理論 46
4.5 直流馬達速度控制 52
4.5.1 直流馬達之系統數學方程式 52
4.5.2 直流馬達之比例速度控制法則分析 53
4.5.3 直流馬達之比例 – 微分速度控制法則分析 54
4.5.4 直流馬達之比例 – 積分速度控制法則分析 55
4.5.5 直流馬達之比例 – 積分 – 微分速度控制法則分析 56
4.6 直流馬達位置控制 57
第五章 數位控制系統之應用實例 58
5.1 PID控制之變數設定 58
5.1.1 微分項 58
5.1.2 利用梯形法求得積分項 59
5.1.3 PC端程式(監控介面) 61
5.2 直流馬達之PID速度控制 62
5.3 直流馬達之PID位置控制 66
5.4 DAC輸出 69
5.4.1 DAC輸出測試 70
5.4.2 DAC輸出直流馬達之PID速度控制 70
5.4.3 DAC輸出直流馬達之PID位置控制 72
5.5 直流馬達之參數鑑別 75
5.5.1 直流有刷馬達之特性參數數學模型 75
5.5.2 直流馬達之參數量測 77
5.5.3 直流馬達之實際參數量測 81
5.5.4 直流馬達之行為模型建立 82
第六章 結論與未來展望 85
6.1 結論 85
6.2 未來展望 85
參考文獻 87
附錄A-學習平台之佈線圖(Protel) 89
附錄B-學習平台之印刷電路圖-TopOverlay、TopLayer 與 BottomLayer 90
附錄C-學習平台之印刷電路圖-材料清單 92
附錄D-學習平台之直流馬達資料 93

[1]王裕立，低成本之數位控制系統學習平台，碩士論文，龍華科技大學電子工程研究所，桃園(2006)。
[2]李浚華，應用於高精密度光學位置感測器之高速USB量測與分析系統，碩士論文，龍華科技大學電子工程研究所，桃園(2006)。
[3]鄭明、鄭世偉，C++ Builder & Windows API 範例辭典，文魁資訊股份有限公司，(2002)。
[4]普悠瑪數位科技，Visual C++ 6 範例教本，學貫行銷股份有限公司，(2002)。
[5]曾百由，dsPIC 數位訊號控制器原理與應用 MPLAB C30 開發實務，宏友圖書開發股份有限公司，(2005)。
[6]高橋麻奈，最新 C++ 物件導向程式設計實例入門(第二版)，博碩文化股份有限公司，(2004)。
[7]周立功等編著，PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發，北京航空航天大學出版社，(2003)。
[8]張義和、陳敵北、詹健良，例說 Protel 99SE，新文京開發出版股份有限公司，(2004)。
[9]陳寬達，C++ Builder 測度歷險，碁峯出版社，網頁全書開放分享，http://www.iis.sinica.edu.tw/~swc/index_c.html ，2006年10月19日。
[10]Cypress Semiconductor，EZ-USB FX2 Technical Reference Menual，http://www.cypress.com。
[11]尤清達，以數位訊號處理器實現模糊理論於車型機器人之避障策略，碩士論文，逢甲大學自動控制工程學系，台中(2005)。
[12]C.Bohn and D.P. Atherton, “An Analysis Package Comparing PID Anti-Windup Strategies” , IEEE Control Systems Magazine, pp.34-40, August, (1991).
[13]Axelson J.USB Complete, Everything you need to develop custom USB peripherals, (2005).
[14]中國源創力科技，USB 2.0-CY7C68013-128S 開發板用戶手冊 Ver 1.1，http://chinaycl.com.
[15]蔡瑞昌、陳維、林忠火，AUTOMATIC CONTORL自動控制，全華圖書股份有限公司，(2008)。
[16]王台有、江榮傑、呂鴻猷、李家榮、林文豊、洪瑞村、許地申、蔡忠良、蔡佳璋、歐奉切、鍾至堆、謝宏榮，自動控制，朗文出版亞洲有限公司、高立圖書有限公司聯合出版，(1994)。
[17]蘇德仁校閱，劉柄麟、蔡春益編著，自動控制Automatic Control，全華科技圖書股份有限公司出版，(1993)。