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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林勇全
研究生(外文):Yong-Quan Lin
論文名稱:高倍頻編碼器之設計
論文名稱(外文):Design of High-Fold Encoders
指導教授:王明賢王明賢引用關係
指導教授(外文):Ming-Shyan Wang
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:電機工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:內差法濺鍍編碼器32倍頻相位延遲方式
外文關鍵詞:Interpolatesputteringencoder32-fold timephase-lag methods
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一高性能運動系統必須依賴高解析度之編碼器來提供速度及位置信號,加以回授控制以展示其優異性能;一般編碼器皆附裝於馬達上,在一馬力以下的馬達,編碼器之進口價約占了馬達成本的一半,所以整體價格高昂,而一般人只是採買使用。為了滿足高性能控制系統所需之高解析度與高精度的編碼器又能使得成本降低,就必須深入接觸內部相關電路。
本文利用正弦與餘弦兩弦波之間的關係,把一般由感測器輸出的信號以內差方式提升頻率到四倍,並利用相位延遲方式再提升頻率到八倍,最後經過計數上下緣的方式就可擴大至三十二倍,此三十二倍頻技術可由硬體電路方式或微處理器方式來實現,並實際應用到編碼器上提升解析度。
另外,本文將介紹以薄膜濺鍍技術製作一前瞻性絕對型編碼器,提供伺服系統另一選擇。
對於編碼器所感測輸出的弦波訊號並非皆為理想訊號,一般弦波具有振幅變動與相位誤差以及直流漂移的問題,因此本研究針對這些問題加以補償,其趨近於理想的弦波訊號作為內差以及往上提升倍頻數之基礎,在此利用FPGA/CPLD系統配合ADC與DAC電路改善弦波失真的問題。最後將高倍頻信號應用於台達光學式編碼器與磁性式編碼器作為速度與位置的控制。
A high-performance motion system must rely on a high-resolution encoder to offer the speed and position signals, close the control loops, and show its excellent performance. However, the cost of an encoder is about half that of a motor rated below 1 hp. In order to reduce cost and raise the resolution, it is necessary to explore its internal circuit.
In the thesis, the relationship between sine and cosine functions is considered to obtain a four-fold frequency of the original by interpolating, and to utilize the phase-lag approach to raise it two times. In addition, the detection of rising and falling edges of channel A and channel B of an encoder is utilized to get the other four times in frequency. The algorithm to raise 32-fold times in frequency is implemented by two ways, hardware circuit or microcontroller-based circuit, in the thesis.
Additionally, design on absolute encoders by sputtering thin film onto the disk is also studied.
There generally exist variations of amplitude, phase, and DC level for the sinusoidal waveforms detected from the encoder. The thesis will discuss these issues and the compensation methods to get smooth waveforms by using FPGA/CPLD, ADC, and DAC. Finally, the algorithms and circuits will be applied to an optical encoder and a magnetic encoder to demonstrate their effectiveness.
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目次 iv
表目錄 vii
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 論文大綱 3
第二章 伺服馬達編碼器設計 5
2.1 編碼器之分類 5
2.2 增量型編碼器 7
2.2.1 光學增量式旋轉編碼器 7
2.2.2 磁性式增量型旋轉編碼器 9
2.3 絕對型編碼器 10
2.3.1 光學絕對式旋轉編碼器 10
2.4 前瞻絕對型高解析編碼器 12
2.4.1 編碼器設計架構與原理 12
2.4.2 濺鍍原理 17
2.4.3 量測方式 19
2.4.4 實驗步驟 25
2.4.5 濺鍍實驗結果 26
第三章 倍頻技術 29
3.1 單一準位交越方式 29
3.2 倍頻技術介紹 30
3.2.1 比較器法 30
3.2.2 ADC法 33
3.2.3 鎖相迴路法(PLL) 35
3.2.4 相位編碼法 37
3.2.5 三角波分割法 40
3.2.6 倍頻技術實現分析 41
第四章 弦波比較式內差法 42
4.1 弦波比較式方法介紹 42
4.2 弦波比較式硬體實現 44
4.3 弦波比較式韌體實現 50
4.3.1 系統架構說明 50
4.4 相位移位法 52
4.5 脈波四倍頻技術 59
第五章 非理想訊號時的解決方式 62
5.1 振幅變動的補償 62
5.2 相位誤差補償 64
5.3 直流漂移的補償 64
5.4 降低雜訊的影響 66
5.4.1 傳統數位濾波器 66
5.4.2 適應式數位濾波器 67
5.4.2.1 設計方式 69
5.4.2.2 實際電路測試 70
第六章 實驗系統架構 73
6.1 整體實驗架構 73
6.2 實驗器具實體圖 75
6.3 實驗結果 78
6.3.1 硬體電路部份 78
6.3.2 韌體電路部份 79
6.3.3 補償誤差量部份 80
第七章 結論與未來展望 83
7.1 結論 83
7.2 未來展望 84
參考文獻 85
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