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研究生:崔泰偉
研究生(外文):Tsui Tai-Wei
論文名稱:晶圓移載用機械臂運動控制晶片之研製
論文名稱(外文):Design and Implementation of a Motion Control IC for robot Manipulator used at Wafer Loading/Uploading Condition
指導教授:龔應時龔應時引用關係
指導教授(外文):Kung Ying-Shieh
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:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:106
中文關鍵詞:模糊控制發展版座標轉換
外文關鍵詞:fuzzy controlFPGASOPC
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本論文主要使用ALTERA公司所生產的FPGA(Field Programmable Gate Arrays)晶片及嵌入一顆NiosII軟核心處理器所建構的SOPC(System On Programmable Chip)環境為基礎來研製晶圓移載用機械臂運動控制晶片。此機械臂有三軸,各軸致動器為Mitsubishi公司生產的永磁同步馬達。整個運動控制晶片之設計主要包括兩個模組。第一個模組為FPGA晶片內之NiosII處理器,主要以軟體C語言程式實現機械臂三軸之運動程序控制、伺服控制器與運動軌跡之計算。各軸之位置控制迴路採用模糊控制器而速度控制迴路則採用比例控制器。第二個模組在FPGA晶片內以硬體方式來實現三軸之永磁同步馬達電流向量控制器,並以VHDL(VHSIC Hardware Description Language)語言來描述其行為。各軸電流迴路包含PI控制器計算電路、座標轉換電路、空間向量脈波寬度調變電路、電流估測電路、絕對型光學編碼器解碼等。因此,晶圓移載用機械臂所需之全數位運動控制器-包括三軸永磁同步馬達電流控制迴路、三組位置控制迴路、三組速度控制迴路及一組運動軌跡計算等,全部在一顆FPGA晶片以軟硬體方式實現。最後建構一套實驗系統-包含一組FPGA實習板、一台晶圓移載用機械臂、一組週邊類比電路系統(一組絕對型編碼器差動訊號比較器、兩顆並列式A/D轉換電路)及三組換流器,來驗證本論文所提晶圓移載用機械臂運動控制晶片之有效性及正確性。
The thesis studies to apply an SOPC (System on Programmable Chip) technology, which is composed of an ALTERA FPGA (Field Programmable Gate Arrays) chip and an embedded soft-core Nios II processor, to realize a motion control IC for robot manipulator used at wafer loading/uploading condition. The robot manipulator has three-axis, and each axis is driven by a PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) which is manufactured by the Mitsubishi Corporation. The proposed motion control IC has two modules. The first module is an embedded soft-core Nios II processor which is used to realize the process controller, the servo controller and the motion trajectory controller for the robot manipulator. The program developed in Nios II processor uses C language. The position control loop is adopted by the fuzzy controller and the speed control loop is used by a PI controller. The second module is presented to implement three PMSM’s current vector controllers by hardware, and the VHDL (VHSIC Hardware Description Language) is applied to describe the controller behavior. Main current vector controller includes PI controller circuit, coordinate transformation circuit, SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), current comparator circuit, absolutely encoder comparator circuit and decode, etc. Therefore, a fully digital motion controller for robot manipulator, such as three current vector controllers, three position/speed controller and one trajectory planning, are all implemented by a single FPGA chip. Finally, an experimental system constructed by an FPGA experimental board, one three-axis robot manipulator, one peripheral circuit (one absolutely encoder signal comparator, two parallel type A/D converters), three inverters is set up to demonstrate the correctness and effectiveness of the proposed SOPC-based motion control IC of robot manipulator.
摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目次 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與目的 1
1.2 重要性 2
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 4
第二章 馬達電流迴路設計及編碼器解析 6
2.1 永磁同步馬達數學模式 6
2.2 永磁同步馬達之向量控制 8
2.3 座標轉換 9
2.4 空間向量脈波寬度調變(SVPWM)法 11
2.4.1 基本向量之導通時間 13
2.4.2 各臂開關比較值 15
2.4.3 區間判斷策略 15
2.4.3 SVPWM計算程序 17
2.5 方波編碼器 17
2.5.1 絕對式編碼器工作原理 18
2.5.2 解析 18
2.5.3 讀取設計 22
第三章 控制器介紹 23
3.1 模糊控制器(Fuzzy Controller) 23
3.2 比例積分控制器(PI Controller) 29
第四章 SOPC介紹及軟硬體共同設計之應用範例 31
4.1 Altera FPGA與NiosII嵌入式處理器介紹 31
4.1.1 StratixII EP2S60F1020C4發展板 31
4.1.2 NiosII嵌入式處理器介紹 33
4.2 軟硬體共同設計介紹 36
4.2.1 全硬體實現 37
4.2.2 軟硬體實現 43
第五章 系統設計及流程規劃 45
5.1 主軸機械臂位置運動分析 45
5.2 點對點軌跡規劃 48
5.3 機械臂運動軌跡與馬達運動軌跡間之關係 50
5.4 流程規劃與設計 54
5.5 系統流程設計 56
5.5.1 主要流程 56
5.5.2 中斷流程 56
第六章 實驗系統與實驗結果 59
6.1 實驗系統 59
6.1.1 電源供應電路 59
6.1.2 PMSM驅動電路板 60
6.1.3 數位類比轉換器(A/D Converter) 62
6.1.4 FPGA與馬達驅動電路連接板 63
6.1.5 晶圓移載平台 64
6.2 實驗結果 66
6.2.1 位置迴路使用比例積分控制器之步階響應 67
6.2.2 位置迴路使用模糊控制器之步階響應 74
6.2.3 位置迴路使用比例積分控制器之長行程軌跡規劃 82
6.2.4 位置迴路使用模糊控制器之長行程軌跡規劃 89
6.2.5 流程動作 95
第七章 結論與未來發展 99
7.1 結論 99
7.2 未來發展 100
參考文獻 101
作者簡介 105
[PMSM]
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[3]B. K. Bose, Power Electronics and AC Drives, Prentice-Hall, Inc., 1986.
[4]劉昌煥, 許溢适,“AC伺服系統的理論與設計實務,”文笙書局,1992。
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[6]王聖堯, “以DSP為基礎永磁同步馬達無感測器之速度控制” 碩士論文, 南台科技大學電機工程研究所,2005年7月。

[多軸平台]
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[11]黃中雋, “以FPGA為基礎研製線型X-Y平台運動控制器” 碩士論文,南台科技大學電機工程研究所,2007年7月。

[Fuzzy Controller]
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[13]王聖堯, “以DSP為基礎永磁同步馬達無感測器之速度控制” 碩士論文,南台科技大學電機工程研究所,2005年7月。
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[15]黃中雋, “以FPGA為基礎研製線型X-Y平台運動控制器” 碩士論文,南台科技大學電機工程研究所,2007年7月。

[有限狀態機設計]
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[21]X. Shao and D. Sun, “A FPGA-based Motion Control IC Design,” in Proc. IEEE InternationalConference on Industrial Technology, pp. 131-136, 2005.
[22]郭天送,「Design and Implementation of an FPGA-Based Control IC for AC Servo Motors」,碩士論文,國立交通大學控制工程研究所,民國八十六年六月。
[23]Y. Y. Tzou and T. S. Kuo, “Design and Implementation of an FPGA-based motor control IC for permanent magnet AC motors,” in Proc. IEEE IECON, vol. 2, pp. 943-947, 1997.

[SVPWM]
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[26]龔應時, 黃中雋, 蔡幸岸, “以軟硬體方式實現空間向量脈波寬度調變法,” 電 機月刊, 第十六卷,第八期, pp.136-153, 2006年8月。
[軌跡規劃]
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[28]陳家聖, “以SOPC為基礎關節型機械臂之伺服控制系統之研製” 碩士論文,南台科技大學電機工程研究所,2007年7月。

[VHDL]
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[30]H. C. Roth, Digital Systems Design Using VHDL. Boston : PWS, 1998.
[31]C. H. Roth, Digital system design using VHDL, PWS Oub., 1998.
[32]唐佩忠,VHDL與數位邏輯設計,高立出版社,民88年。
[33]蕭如宣,VHDL數位系統電路設計,儒林出版社,1999。

[SOPC]
[34]http://www.altera.com
[35]SOPC World, ALTERA Corporation, 2004.
[36]Nios II datasheet, Version 1. 2, ALTERA Corporation, 2003.

[絕對式編碼器]
[37]www.autooo.net/utf8-classid58-id46552.html
[38]MITSUBISHI驅動器使用手冊

[設計範例]
[39]龔應時、陳建武、徐永松,DSP控制器原理與應用,滄海書局,2003。
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