本論文主要研製PMAC(Program Multiple Axis Controller)，可編輯多軸運動控制卡，軌跡追蹤控制器之控制器參數調整；其設計核心採用從內部的電流迴路到外部的速度迴路，其電流迴路及速度迴路的控制器皆採用PI控制器。控制器的參數調整係利用PMAC數位控制板來產生出各種正弦波並由本實驗室自行發展的及時監控系統，產生出使用者所要的圖形。回授估出其系統轉移函數，再利用極點安置法設計Kp及Ki。位置追蹤方面是在速度迴路的外層再增加一位置迴路，其控制器是採用PID控制器。馬達數位控制器方面，是利用由TI公司所生產之TMS320F2812數位訊號處理器做為其核心系統，並藉由USB2.0來做PC與DSP之間的溝通，將在PC上利用MATLAB/SIMULINK所設計之任何馬達控制法則，透過此數位控制板對馬達進行控制。對於整個馬達控制系統而言，在PC上利用MATLAB/SIMULINK來進行控制法則的設計，方便馬達控制法則的分析與驗證，而數位控制板上的DSP由於具有豐富的周邊與可程式化的彈性設計，使得其可以對在PC上所設計出的控制法則驗證其可行性。

The main purpose of the study is to design and develop a Automated Parameter Tuning for multi-axis motion control system (a design of current loop in the internal part to velocity loop in the external) as it’s core and using PI controller for it’s current and velocity loop. The parameter adjustment of the controller uses the PMAC digital controller in the laboratory to produce different sine waves and calculate system transfer function from its feedback, then uses Kp and Ki for pole placement. In position track, a track loop was added on the outer layer of the velocity loop, that is, PID controller was used. In digital motor control, the study utilized the TMS320F2812 digital signal processor manufactured by TI Company as the core system, then connected PC and DSP through USB2.0 and adapted the law of any motor control designed in MATLAB/SIMULINK on the PC to the digital controller for controlling. For the whole motor controller system, the main purpose of using MATLAB/SIMULINK for designing the law of controlling is the convenience of the analysis and testing of motor control law. Besides, the DSP on the digital control board has abundant of peripheral and also elastic stylization design, so that the variability of control law designed in PC could be proven.

中文摘要 ……………………………………………………………………… i
英文摘要 ……………………………………………………………………… ii
誌謝 ……………………………………………………………………… iii
目錄 ……………………………………………………………………… iv
表目錄 ……………………………………………………………………… vi
圖目錄 ……………………………………………………………………… viii
第一章 緒論………………………………………………………………… 1
1.1 研究動機…………………………………………………………… 1
1.2 研究背景與目的…………………………………………………… 2
1.3 內容大綱…………………………………………………………… 3
第二章 直流伺服馬達驅動器之數學模式………………………………… 4
2.1 直流伺服馬達介紹………………………………………………… 4
2.2 直流伺服馬達理論模式…………………………………………… 5
2.3 控制系統設計……………………………………………………… 8
2.4 控制系統時域分析………………………………………………… 11
2.5 控制系統的界限靈敏度調整法則………………………………… 14
第三章 三軸量測平台及控制器控制系統………………………………… 16
3.1 控制系統的結構…………………………………………………… 16
3.1.1手動型控制系統…………………………………………………… 16
3.1.2 CMM型測量機介紹……………………………………………… 17
3.2 路徑規劃控制……………………………………………………… 19
3.2.1單軸伺服控制……………………………………………………… 19
3.2.2測量軌跡的形成……………………………………………… 22
3.3 多軸平台控制器硬體架構………………………………………… 23
3.3.1 CMM三座標量測機用途…………………………………… 23
3.3.2 F2812數位控制板…………………………………………… 26
3.3.3 Motion AD_DA 數位控制板………………………………… 32
3.3.4座標測量機的安全保護系統……………………………… 37
3.3.5驅動器介紹………………………………………………… 45
3.3.6直流伺服馬達介紹………………………………………… 47
3.3.7座標測量機的保養與維護………………………………… 48
3.4 Z軸的運動平衡…………………………………………………… 49
第四章 控制器軟體架構…………………………………………………… 52
4.1 手搖桿人機介面說明……………………………………………… 54
4.2 DSP監控繪圖軟體說明…………………………………………… 57
4.3 數位控制卡溝通原理……………………………………………… 59
4.4 開迴路控制器軟體架構…………………………………………… 61
4.5 電流閉迴路控制器參數調整……………………………………… 62
4.6 速度閉迴路控制器參數調整……………………………………… 63
4.7 位置閉迴路控制器參數調整……………………………………… 64
第五章 馬達驅動器設計…………………………………………………… 66
5.1 軌跡追蹤實驗結果………………………………………………… 67
5.1.1 X軸單軸運動軌跡追蹤結果………………………………… 67
5.1.2 Y軸單軸運動軌跡追蹤結果……………………………… 72
5.1.3 Z軸單軸運動軌跡追蹤結果……………………………… 76
5.1.4 X、Y兩軸運動軌跡追蹤結果……………………………… 80
5.1.5 X、Y、Z三軸運動軌跡追蹤結果………………………… 83
第六章 實驗結果與分析…………………………………………………… 88
6.1 教導式軌跡規劃實驗……………………………………………… 88
6.2 PMAC軌跡規劃2D實驗…………………………………………… 91
6.2.1 PVT(位置-速度-時間)軌跡規畫法………………………… 91
6.2.2 Spline(均勻次方樣條)軌跡規畫法……………………… 97
6.3 PMAC軌跡規劃3D實驗…………………………………………… 97
6.3.1 NYUST圖形規劃…………………………………………… 98
6.3.2避障實驗…………………………………………………… 102
6.3.3在平面上規劃雲科校徽…………………………………… 106
6.3.4在斜面為60度白板上規劃雲科校徽……………………… 111
6.3.5雲科大文字實驗…………………………………………… 115
第七章 結論與建議………………………………………………………… 121
7.1結論…………………………………………………………………… 121
7.2建議…………………………………………………………………… 122
參考文獻 ……………………………………………………………………… 123
作者簡介 ……………………………………………………………………… 126

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