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研究生:楊智淵
研究生(外文):Chih-Yuan Yang
論文名稱:電動輪椅運動控制晶片之研製
論文名稱(外文):Realization of a Motion Control IC for Electric-Powered Wheelchair
指導教授:龔應時龔應時引用關係
指導教授(外文):Ying-Shieh Kung
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:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:120
中文關鍵詞:電動輪椅直流輪圈馬達運動控制搖桿模糊控制器
外文關鍵詞:FPGAElectric wheelchairDC rim motorFuzzy ControllerJoystickMotion control
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本論文主要使用ALTERA 公司所生產的可程式邏輯閘陣列元件(Field Programmable Gate Array, FPGA)晶片及嵌入一顆Nios II 軟核心處理器所建構系統整合型晶片(System on a Programmable Chip, SoPC)環境為基礎來研製兩輪驅動電動輪椅運動控制晶片。此輪椅由兩個由中廣電動車所製造之直流輪圈馬達為致動器,而運動控制晶片主要包括兩個模組,第一個模組為FPGA晶片內之Nios II處理器,主要以軟體C語言程式實現電動輪椅之運動策略控制與兩輪差速命令之產生。而第二個模組以數位硬體電路實現,其功能主要執行電動輪椅之兩顆直流輪圈馬達速度控制,包含兩組模糊控制器電路、兩組電流轉換觀測電路、兩組旋轉式光學編碼器信號偵測電路(Quadrature Encoder Pulse, QEP)、兩組梯形速度產生器、RS-232訊號讀取電路、及兩組脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)信號輸出等。因此,電動輪椅所需之全數位驅動控制器,全部在一顆FPGA 晶片以數位方式去實現。除此之外本論文也將完成一套實驗系統-包括以FPGA為基礎之實習板、兩組驅動電路板、一組兩輪驅動電動輪椅平台及一組控制輪椅行走之操控面板等,並經由實驗結果證實提出的電動輪椅運動控制晶片之有效性與正確性。
This thesis is mainly based on the technology of SoPC (System on a Programmable Chip) which can embedded a Nios II soft core in an FPGA (Field Programmable Gate Array), to implement a motion control IC for electric wheelchair. This electric wheelchair herein is run by two DC rim motors and a fuzzy controller is applied in speed loop of motor drive to cope with the uncertainly and external load problems. The motion control IC has two modules. One is Nios II processor IP (Intelligent properties) which is used to perform the function of motion trajectory and the data communication with control panel and generation of differential speed command; and the other is an application IP which is utilized to execute the function of PWM (Pulse width modulation) generation, QEP (Quadrature encoder pulse) signal detection, fuzzy controller scheme and speed loop controller, trapezoidal speed command generator. Therefore, a fully digital motion controller for electric wheelchair can be realized within one FPGA chip. Finally, an experimental system, which is composed of the DE2 (Cyclone II EP2C35F672C6) with FPGA basis, two inverters, one control panel, and one platform for electric wheelchair, is set up to prove the efficiency and correctness of the proposed motion control IC.
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 文獻回顧 3
1.3 本文架構 4
第二章 電動輪椅之驅動控制架構與數學模式 5
2.1 直流輪圈馬達之結構與數學模型 6
2.1.1 直流輪圈馬達之結構 6
2.1.2 行星減速齒輪之介紹與應用 6
2.1.3 直流輪圈馬達之數學模型 10
2.2 光編碼器之介紹與量測原理 11
2.2.1 常用光編碼器之介紹 12
2.2.2 光編碼器之解碼 13
2.3 脈波寬度調變信號 15
2.3.1 脈波寬度調變之介紹 15
2.4 電動輪椅差速轉向設計原理 17
2.5 電動輪椅之梯形速度規劃 20
第三章 電動輪椅控制晶片設計與硬體實現 24
3.1 操控面板之設計 25
3.1.1 電位搖桿之原理 28
3.1.2 ADC0804之介紹 29
3.1.3 操控面板之電路設計與信號傳送 31
3.2 驅動板電路及旋轉式光編碼器偵測電路 35
3.2.1 直流輪圈馬達之驅動電路設計 35
3.2.2 旋轉式光編碼器之比較電路 38
3.2.3 電磁剎車控制介紹 39
3.2.4 馬達電流觀測之類比/數位轉換電路 41
第四章 伺服運動控制器及速度規劃策略 43
4.1 控制器介紹與設計 43
4.1.1 模糊控制器(Fuzzy Controller) 44
4.1.2 比例-積分控制器(PI Controller) 47
4.2 速度估測器之設計 48
4.3 電動輪椅速度命令產生之策略 50
4.3.1策略一之兩輪速度命令規劃 51
4.3.2策略二之兩輪速度命令規劃 54
第五章 電動輪椅之晶片設計 60
5.1 控制晶片之簡介 60
5.1.1 電動輪椅運動控制晶片設計 61
5.1.2 嵌入式Nios II處理器介紹與中斷程式設計 62
5.2 脈波寬度調變之硬體電路設計 68
5.3 增量型光編碼器之解碼電路設計 67
5.4 模糊控制器之硬體電路設計 74
5.5 梯形速度命令規劃之硬體電路設計 76
5.6 在FPGA接收RS-232之硬體電路設計 79
5.6.1 在89S51傳送面板信號之編碼 79
5.6.2 在FPGA之資料接收與解碼 81
第六章 實驗系統架構與實驗結果 84
6.1 實驗系統架構 84
6.2 實驗結果 86
6.2.1 左、右輪速度迴路之步階響應 87
6.2.2 梯形速度軌跡響應實驗 95
6.2.3 電動輪椅操控實驗 103
第七章 結論與未來發展方向 111
7.1 結論 111
7.2 未來發展方向 112
參考文獻 113
作者簡介 118
[Electric Wheelchair]
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