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研究生:謝富才
研究生(外文):Fu-Tsai Hsieh
論文名稱:嵌入式滑軌平台電控系統設計及應用之研究
論文名稱(外文):The Study of Embedded Electrical Control System Design and Application for Guideway Platform
指導教授:洪清寶
指導教授(外文):Chin-Pao Hung
學位類別:碩士
校院名稱:國立勤益科技大學
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:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:運動控制滑軌機器人人機介面嵌入式系統PIC微控制器電控系統
外文關鍵詞:motion controlguidewayhuman-machine interfaceembedded systemPIC microcontrollerelectrical control system
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本論文主要為進行一直線滑軌平台電控系統之設計,整合驅動器及控制器為一模組單元,可獨立運作或接收來自主控端之命令請求進行對應的控制動作。論文架構中包括驅動器設計、控制器設計、通訊程式設計以及進行功能驗證之實驗機台開發。在驅動器部分,為便於各種不同需求之應用,本論文分別以直流有刷馬達/永磁無刷馬達二種不同驅動方式進行滑軌平台之控制,並對其控制成本、響應特性及效率等各種特性進行分析比較,可供業者選用不同驅動方式之參考依據。直流有刷及永磁無刷馬達的控制,則經由系統識別及PID控制器的設計,實現系統的快速定位控制。同時為了達成響應的平穩性,經由梯形或S形速度曲線的設計在本論文中亦加以實現。在通訊程式設計部分,本論文所設計之控制模組單元,可接收來自主控端的各種命令,依命令的種類執行對應的高速定位控制或對應的週邊動作。採用之通訊介面則為產業界所普遍使用的RS232通訊介面。
本論文所開發的系統並應用於滑軌式的發牌系統,執行在多個不同位置取放牌的操作,模組化的電控系統架構,簡化了系統的安裝、配線並降低設備的成本。實驗的結果亦證明了本論文所開發系統的成功性,其實現了快速、平穩及精確的運動特性,更具備系統安裝容易、成本低廉、配線簡化、體積縮小、擴充容易且易於與各種機台整合應用之優點。

The thesis presents an electrical control system design and application for guideway platform, integrating a driver and a controller as a single module which can receive commands coming from host computer and execute corresponding motion. The architecture of this thesis contains driver circuit design, controller design, communication interface design, and guideway platform implementation for demonstrating the feasibility of the developed system. To benefit various applications, the developed guideway platform has two different actuators, brush dc and brushless dc motors. Therefore, two driver circuits are designed for different actuator respectively. The cost, response performance, and efficiency for different actuators are discussed and according to as the reference for selection. System identification and PID controller design implement the fast and precise position control for brush dc and brushless dc motors. Also, trapezoidal velocity curve or sigmoid trajectory design are considered for increasing the smooth motion.
The developed electrical control systems are integrating as a single module which can receive serial commands for executing corresponding motion via universal RS232 interface. It is beneficial for installation, cost down, and wiring. Applying the developed system to a poker machine, smooth, fast, and precise motion are achieved. The experimental results demonstrate the success of the developed system.

摘 要 i
Abstract iii
誌謝 v
目錄 vi
表目錄 x
圖目錄 xi
符號參數說明 xvi
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 6
1.3 本論文貢獻 8
1.4 章節概要 9
第二章 運動控制架構及基本控制理論 10
2.1 運動控制架構 10
2.1.1 運動路徑產生器 13
2.1.2 運動速度規劃 14
2.1.3 路徑插值 17
2.2 PID控制理論 18
2.2.1 PID控制器參數最佳值調整 21
第三章 滑軌伺服系統之架構 22
3.1 直流馬達 24
3.1.1 直流馬達系統數學模型 25
3.2 直流有刷伺服控制卡設計 27
3.2.1 控制核心dsPIC33fj128mc804 28
3.2.2 直流馬達驅動電路及驅動方式 30
3.2.3 UART串列通訊電路 32
3.2.4 完成之直流馬達伺服控制卡 34
3.3 永磁無刷馬達 36
3.3.1 永磁無刷馬達系統數學模型 38
3.3.2 永磁無刷馬達驅動電路及驅動方式 47
3.3.3 基於dsPIC空間向量脈寬調變之實現(SVPWM) 53
3.4 永磁無刷伺服控制卡 58
第四章 人機介面程式設計 60
4.1 人機介面操作說明 61
4.2 通訊命令格式說明 63
4.3 程式流程圖 65
4.4 實例操作 67
第五章 實驗結果與討論 71
5.2 馬達規格 73
5.3 滑軌機器人定位控制之實驗結果 73
5.3.1 直流馬達定位實驗結果 74
5.3.2 永磁無刷馬達定位實驗結果 77
5.4 應用範例 80
5.5 嵌入式電控系統使用手冊 82
5.5.1 配線 82
5.5.2 命令格式 85
5.6 步進、直流有刷、永磁無刷的比較列表 86
第六章 結論與未來研究方向 87
6.1 結論 87
6.2 未來研究方向 89
參考文獻 90
作者簡介 94
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