臺灣博碩士論文加值系統

在PLC-based自動化控制系統中，PLC會隨著它的等級以及PLC內部程式的多寡，來決定掃描週期時間（Cycle time）。在PLC系統架構上很難突破0.5 ms取樣時間限制，若採用更高階PLC則會使成本大幅增加，不符合成本效益。本研究藉由整合原本由PLC控制器為核心的步進馬達運動控制器，取代為以相對便宜的FPGA作為核心控制。利用FPGA作為控制晶片與PLC互相搭配以提升整體控制系統之即時化，以實現更即時的動態位置追蹤性能。研究中利用Altera公司的現場可程式邏輯閘陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA），加入八通道類比轉數位模組（Analog to Digital Converter, ADC）AD7606以及非接觸式距離感測器，利用距離感測器測得高度距離的誤差，並由感測器以每149 （內部參數設定）的時間做取樣輸出，輸出形式為±10V類比電壓信號。由於FPGA只能接收數位信號，因此最後再透過AD7606得到位置的數位回授信號提供給FPGA位置補償器，並透過比例控制器調整後進而輸出修正位置誤差的數位DDA脈波信號給步進馬達驅動器進行位置誤差之修正。

Programmable Logic Controller (PLC) is one of the line interpreting and execution controller. The performance of a PLC-based system is limited by the amount of line commands and the processing times of the CPU embedded. The cycle time of scanning all the command lines once is an important index to evaluate the performance of PLC. A short cycle time means the possibility to increase the system performance by more acts in the system, it also shows that a more powerful system is.
In the research, owing to the time limitation of PLC about the cycle time to complete the scan from the beginning to the end of the program, such that the position control by a general PLC is fail to efficiently reach to the desired performance about the positioning precision. Thus, we used the Field Programmable Gate Array (FPGA) to cooperate with the PLC to complete the compensation about the positioning. The position control is handled by the FPGA-based compensator which accepts the position error from the position sensor and analog to digital converter (ADC), and outputs the pulse commands processed by digital difference analyzer (DDA) to move the stepper motor to conserve the position error in the pre-defined range. Through the experimental results, the positioning precisions can be improved than those only controlled by PLCs.

摘要 I
Abstract II
誌謝 V
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與方法 2
1.3 論文架構： 3
第二章 PLC系統 4
2.1 PLC系統架構及組成 4
2.1.1 三菱伺服通信方式簡介 4
2.2 PLC系統模組 5
2.2.1 CPU簡介 5
2.2.2 軸控制卡簡介 7
2.2.3 類比模組簡介 8
2.3 PLC的掃描時間 9
2.3.1 PLC掃描方式 9
2.3.2 PLC掃描時間計算 10
第三章 步進馬達種類與原理 12
3.1步進馬達的總類[31] 12
3.2 步進馬達控制原理[32][33] 12
3.3 步進馬達工作原理[32][33] 14
第四章 FPGA系統架構與脈波輸出 19
4.1 脈波與步進馬達驅動器[35] 19
4.2 FPGA即時控制系統方塊圖 20
4.3 離散信號與取樣頻率 22
4.4 DDA 23
4.5 DDA脈波演算[30] 24
4.6 可變DDA脈波命令周期 28
第五章 硬體架構與實驗條件設定 31
5.1 FPGA控制系統硬體組件系統結構 31
5.1.1 控制硬體系統架構圖 31
5.1.2 測試系統硬體平台說明 32
5.1.3 FPGA簡介 34
5.2 ADC轉換模組（AD7606） 34
5.3 MOSFET脈波電壓轉換電路 36
第六章 實驗結果與討論 37
6.1 模擬量測工件變形量 37
6.2 模擬實驗平台硬體參數設定 38
6.3 PLC與FPGA模擬實驗結果比較 38
6.4 FPGA動態位置補償誤差放大波形圖 44
第七章 結論與未來研究方向 48
7.1 結論 48
7.2 未來研究方向 48
參考文獻 50

[1] 黃壬信，廣域車輛影像即時追蹤與交通評估，國立臺灣大學土木工程學系博士論文，台北，台灣，1997年。
[2] 曾郁展，DSP-Based之即時人臉辨識系統，國立中山大學電機工程學系碩士論文，高雄，台灣，2005年。
[3] 李世安，即時目標影像追蹤之SoPC設計，國立淡江大學電機工程學系博士論文，新北，台灣，2008年。
[4] 楊志偉，以視覺伺服為基礎之倒單擺系統平衡控制，國立成功大學工程科學系博士論文，台南，台灣，2005年。
[5] 蕭建良，基於PLC與PC-based軸控之雙相機系統自動化排列機開發，國立虎尾科技大學自動化工程系碩士論文，雲林，台灣，2017年。
[6] 雷康承，以PLC搭配人機介面完成之棘輪高度自動檢測系統，私立大葉大學機械與自動化工程學系碩士論文，彰化，台灣，2018年。
[7] Feng Jinbing, “Design of the Control System for Automatic Riveting Machine Based on PLC,” 2017 International Conference on Robots & Intelligent System (ICRIS), pp. 119–123, 2017.
[8] Hazrat Ali, “SCADA & PLC based fully automated pneumatic cutting machine: A test bench for industry and laboratory,” 2018 International Conference on Engineering and Emerging Technologies (ICEET), pp. 1-6, 2018.
[9] Ragini Gaikwad, “PLC based automatic car washing system using proximity sensors,” 2017 IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI), pp. 1875-1878, 2017.
[10] E. Hrynkiewicz and M. Chmiel, “About programmable logic controller - step by step,” Przegląd Elektrotechniczny, R.88, nr 9a, pp. 303-307, 2012.
[11] E. Hrynkiewicz and M. Chmiel, “Programmable logic controller - basic structure and idea of programming,” Przegląd Elektrotechniczny, R.88, nr 11b, pp. 98-101, 2012.
[12] C.J. Peshek, J. Graham, “Recent Developments and Future Trends in PLC Programming Languages and Programming Tools for Real-Time Control,” IEEE Conference Record of 1993 Forth-Fifth Annual Conference of Electrical Engineering Problems in the Rubber and Plastics Industries, Akron, Ohio, pp. 102-113, 1993.
[13]李旺陵，結合即時資料收集的共時可程式邏輯控制器，國立中央大學資訊工程學系碩士論文，桃園，台灣，2017年。
[14] Mirosław Chmiel, “FPGA-based two-processor CPU for PLC,” Silesian University of Technology, Institute of Electronics, Gliwice, Poland, Signals and Electronic Systems (ICSES), POLAND, pp. 247–252, 2016.
[15] Manish M. Patil, “IEC control specification to HDL synthesis: Considerations for implementing PLC on FPGA and scope for research,” IEEE Conferences, pp. 2170–2174, 2010.
[16] Nico Weling, “Flexible FPGA-based powerline channel emulator for testing MIMO-PLC, neighborhood networks, hidden node or VDSL coexistence scenarios,” 2011 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, pp.12-17, 2011.
[17] Christoforos Economakos, “Automated FPGA implementation methodology of PLC programs with floating point operations,” 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp. 3045-3050, 2010.
[18] Saiful A. Zulkifli, Electr. & Electron. Eng. Dept., Univ. Teknol. PETRONAS, Bandar Sri Iskandar, Malaysia, “Implementation of electronic throttle-by-wire for a hybrid electric vehicle using National Instruments' CompactRIO and LabVIEW Real-Time,” Intelligent and Advanced Systems (ICIAS), 2014 5th International Conference on, Malaysia, pp. 1-6, 2014.
[19] E. Barrera , Instrumentation and Applied Acoustic Research Group, Technical University of Madrid, Madrid, Spain “Implementation of ITER Fast Plant Interlock System Using FPGAs With CompactRIO,” IEEE Transactions on Nuclear Science, pp. 796 - 804, 2018.
[20] Anmol Dwivedi, Department of Electrical and Electronics Engineering, National Institute of Technology (NIT), Tiruchirappalli, Tamil Nadu, India, “Real-time implementation of phasor measurement unit using NI CompactRIO,” 2017 International Conference on Advances in Electrical Technology for Green Energy (ICAETGT), pp.120-126, 2017.
[21] 林利臻，基於FPGA軌跡規劃與追蹤控制及應用於影像繪圖之移動機器人，國立臺灣科技大學電機工程系碩士論文，台北，台灣，2017年。
[22] 曹耀廷，基於FPGA之永磁同步馬達向量控制器實現，國立勤益科技大學電機工程系碩士論文，台中，台灣，2015年。
[23] Chen Chen, “ Real-time target tracking and positioning on FPGA,” School of Mechanical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School , 2016 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics (RCAR), Cambodia, pp. 448-453, 2016.
[24] H. Sudheer, “Implementaion of SVM-DTC of induction motor using FPGA,” 2017 IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI), pp. 2319–2323, 2017.
[25] Jithin Babu, “FPGA based implementation of brushless DC motor drive using single current sensor and comparison with conventional method,” 2017 IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI), pp. 703–709, 2017.
[26] 古鎮賢，遠端PLC、伺服一體機搭配人機介面之控制系統，私立明新科技大學電機工程系碩士論文，新竹，台灣，2013年。
[27] 陳怡瑄，軟體PLC之I/O開發並實現於自動光學檢測系統，國立成功大學電資工程系碩士論文，台南，台灣，2011年。
[28] 傅大桓，PLC控制器應用於船舶穩定翼控制系統更新工程，國立臺北教育大學資訊科學系碩士論文，台北，台灣，2016年。
[29] http://www.omron.com.tw/data_pdf/mnu/z208-tw5-01_zs-l.pdf?id= 3175，ZS-HLDC使用手冊，OMRON，2015年。
[30] 胡志寬，運動命令規畫之智慧技術元件設計與實現，國立成功大學電機工程系碩士論文，台南，台灣，2006年。
[31] https://www.orientalmotor.com.tw/image/web_seminar/stkiso/2013 0307_stkiso_seminar.pdf，東方馬達技術研討會，2013年。
[32]王順忠，電機機械原理精析，東華出版社，2014年。
[33]王順忠、陳秋麟，電機機械基本原理，東華出版社，2013年。
[34] https://kknews.cc/zh-tw/science/penlegp.html ，步進馬達的靜態術語，2017年。
[35] AZ系列使用手冊，東方馬達，2018年。
[36] ADC7606 data sheet，Analog Dialogue，2018年。
[37] http://dl.mitsubishielectric.co.jp/dl/fa/document/catalog/plcq/l08096 /l08096x.pdf，三菱電機Q系列通用手冊，2018年。
[38] http://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/download/search.do?mode=c atalog&kisyu=/plcq ，三菱官方資料，2018年。
[39] 汪曙峰，“串列式伺服運動控制技術之簡介與發展趨勢”，工業技術研究院機械所，機械月刊，pp. 34-49，2008年。