臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要是探討應用在倒單擺車上的模糊控制晶片之設計流程與整個系統架構。單就模糊控制器之架構而言，本文是以兩個控制器來實現硬体架構，並用組合語言來編寫整個控制流程。整個晶片的架構可分成四個模組，包括了紅外線感測器、光檢測解碼電路、模糊控制器及脈衝寬度調變等。我們將這些模組整合在一DSP單晶片上，並以此產生控制命令，去推動直流馬達驅動電路，使得倒單擺車上的倒單擺能維持平衡。
同時本論文對模糊控制晶片的架構與設計流程做一介紹，為了驗證設計晶片的可行性，我們亦針對每一個模組和整個DSP晶片做時脈和功能的模擬驗證，在幾經除錯和修正的過程後，我們把所設計的晶片實際應用在倒單擺車的即時平衡實驗上。由實驗的結果我們可以得證，所設計的模糊控制器IC可以成功的達到控制目的。

The thesis mainly probes into design flow of the fuzzy-based chip applied to inverted pendulum car and its whole system architecture. In view of fuzzy controller structure, we ultilize two controllers to realize the hardware framework and adapt assembly language to manipulate the controller. The whole chip consists of four modules, including infrared sensors, optics-estimation decode circuit, fuzzy controllers and PWM circuit. We integrate these four blocks into a single DSP chip to generate control commands, in order to drive DC motor and keep balance of the inverted pendulum on the inverted pendulum car.
Besides, this thesis will introduce the constructure and design flow of the fuzzy control chip step by step. For verification of the chip's feasibility, we will simulate timing and function of each submodules and the whole DSP chip. Finally, we will pratically examine it in real-time inverted pendulum car experiments. According to results of experiment, we can demonstrate the Fuzzy logic chip which can successfully control the inverted pendulum car and keep the pole upright.

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖索引 VII
表索引 X

第 1 章 緒論
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 論文架構 2
第 2 章 倒單擺車的系統架構
2.1 倒單擺車的系統方塊圖 5
2.2 模糊邏輯控制理論 6
2.3 模糊控制器的實現 12
2.4 倒單擺系統 13
2.5 實驗系統的硬體架構 14
2.5.1 車體的系統架構 15
2.5.2 模型車車體 15
2.5.3 直流馬達 16
2.5.4 編碼器 16
2.5.5 紅外線距離感測器 19
2.5.6 驅動電路單元 21
2.5.7驅動電路的原理 22
2.5.8 數位信號處理器(DSP)單元 25
2.6 本章小結 25

第 3 章 數位信號處理器(DSP)
3.1 數位信號處理器(DSP)特性 27
3.2 TMS320F240晶片硬體架構 31
3.2.1 F240相位鎖定(PLL)模式 32
3.2.2 重置(Reset) 33
3.2.3 中央處理單元 34
3.2.4 省電模式 36
3.2.5 等待時序產生器 37
3.2.6 程序控制 37
3.2.7 記憶體結構 38
3.2.8 類比數位轉換(ADC)模組 42
3.2.9 QEP電路 44
3.2.10 脈波寬度調變(PWM)模組45
3.3本章小結 47

第 4 章 FLC晶片分析與設計
4.1 模糊控制器分析 48
4.2 控制器的設計 49
4.2.1 直立控制器 49
4.2.2 位置控制器 51
4.2.3 直立與位置控制器整合 54
4.3 DSP晶片的設計流程 55
4.4本章小結 68

第 5 章 軟體模擬與實驗結果
5.1 軟體模擬 69
5.2 實驗結果 72
5.3本章小結 73

第 6 章 結論與未來工作
6.1 結論 74
6.2 未來工作 75

參考文獻 76

[1]L. A. Zadeh, “Fuzzy Sets,” Inform. Control, Vol. 8, pp. 338-353, 1965.
[2]S. Mori, H. Nishihara and K. Furuta, “Control of unstable mechanical system control of pendulum,” Int. J. Control, Vol. 23, No. 5, pp. 673~692,1976.
[3]C. E. Lin, and Y. R Sheu, “A Hybrid-Control Approach for Pendulum Car control,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 39, No.3, pp. 208~214,1992.
[4]K. Furuta, H. Kajiwara, and K. Kosuge, “Digital control of a double inverted pendulum on an inclined rail,” Int. J. Control, Vol. 32, No. 5, pp 907~924, 1980.
[5]T. Yamakawa, “Stablilization of an inverted pendulum by a high speed fuzzy logic controller hardware system,” Fuzzy Sets and Systems, Vol. 32, pp. 161~180, 1989.
[6]Chip Implementation Center(CIC), FPGA Training Manual, 2000.
[7]Sensor’s Handbook, TELCO company, 1995.
[8]Angilent’s Technical Data, 2.0 Amp Output Current IGBT Gate Drive Optocoupler, 1999.
[9]TMS320C240/’F240 Data Sheet, Texas Instruments company, 1998.
[10]TMS320C1x/’C2x/’C2xx/’C5x Assembly Language Tool, Texas Instruments company, 1998.
[11]Code Composer User’s Guide, Texas Instruments company, 1998.
[12]Franck Betin, Daniel Pinchon, and Gérard-André Capolino “Fuzzy Logic Applied to Speed Control of a Stepping Motor Drive,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, NO. 3, pp. 610~622, 2000.
[13]J. Y. Chen “Rule regulation of fuzzy sliding mode controller design: direct adaptive approach,” Fuzzy Sets and Systems, Vol. 120 pp. 159~168, 2001.
[14]T. Takagi, and M. Sugeno, “Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control,” IEEE Trans. On Syst. Man. Cybern, Vol. SMC-15, No. 1, pp. 116-132, 1985.
[15]H. K. Chen, Design and Applications of Fuzzy Sliding-Mode Control Chip using FPGA, Master Thesis, Dept. of Electrical Engineering, National Cheng Kung Univ., Tainan, Taiwan, R.O.C., June 1999.
[16]W. C. So, “Development of a Fuzzy Logic Controller for DC/DC Converters: Design, Computer, Simulation, and Experimental Evaluation,” IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 11, No.6, 1996.
[17]M. J. Patyra, J. L. Grantner, and K. Koster, “Digital Fuzzy Logic Controller: Design and Implementation,” IEEE Trans. on Fuzzy Systems, vol. 4, no. 4, pp. 439-459, 1996.
[18]J. M. Jou, P. Y. Chen, and S. F. Yang, “Design and Implementation of a Self-adaptive Fuzzy Inference Engine,” The Fourth IEEE Internal Conference on Fuzzy Systems and The Second International Fuzzy Engineering Symposium, pp. 1663-1670, 1995.
[19]K. Furuta, T. Ochiai, and N. One. “Attitude control of a triple inverted pendulum,” Int. J. Control, Vol. 32, No. 5, pp. 1351 ~1365, 1984.
[20]Rainer. Palm, and Dimiter. Driankov, “Design of a fuzzy gain scheduler using sliding mode control principles,” Fuzzy Sets and Systems, Vol. 121 pp. 13~23, 2001.
[21]黃文瑞，“模糊控制理論與倒單擺控制之應用”國立成功大學航空太空工程研究所碩士論文，1991。
[22]蔡金印，“模糊控制器之設計於實現及其於倒單擺定位控制之研究” 國立成功大學電機工程研究所碩士論文 ，1995。
[23]洪宗富，“倒立單擺順滑模式定位控制器之設計” 國立交通大學控制工程研究所碩士論文 ，1993。
[24]施振祥，“倒立單擺上甩運動與定位模糊控制器設計” 國立交通大學控制工程研究所碩士論文 ，1995。
[25]沈博仁，“倒單擺系統直立與定位之智慧型控制設計” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文 ，1995。
[26]陳奕儒，“旋轉式倒單擺之直立與定位控制” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文 ，1997。
[27]陳重誠，“旋轉式倒單擺動作控制之再設計” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文 ，2000。
[28]蘇裕記，“以FPGA晶片實現智慧型車庫停車控制系統” 國立成功大學電機工程研究所碩士論文 ，2000。
[29]蔡孟哲，“以FPGA實現動態模糊控制器IC及其在倒單擺車上之應用”國立成功大學電機工程研究所碩士論文 ，2001。
[30]李隆財、吳金勇“TMS320C240原理與實習”長高企業有限公司，2000。