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研究生:江志晧
研究生(外文):Chih-Hao Chiang
論文名稱:智慧型行動椅之設計與製作
論文名稱(外文):The Design and Implementation of Intelligent Mobile Chair
指導教授:何子儀何子儀引用關係
指導教授(外文):Tze-Yee Ho
口試委員:陳木松黃其泮
口試委員(外文):Mu-Song ChenChi-Pan Hwang
口試日期:2014-06-18
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:電機工程學系
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:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:172
中文關鍵詞:智慧型行動椅ARM 與 DSP 雙核心微控制器加速度感測器人機介面
外文關鍵詞:Intelligent mobile chairARM and DSP controllerG-SensorHuman interface
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本論文提出一種新的控制方式來控制一智慧型行動椅,透過感測使用者座椅的傾斜度來控制智慧型行動椅的移動情形,藉此體感偵測方式增加使用者對於智慧型行動椅操控的便利性及靈活度。針對銀髮族的使用者來說也是易於操作的介面,無需過多繁雜的按鈕與搖桿,只需針對使用者想操作的方向傾斜其身體,使加速度感測器偵測移動角度方向,接著再命令微控制器做出相對應的操作模式。
本論文系統架構主要是以ARM與DSP的控制器為核心,利用無刷直流馬達、馬達驅動器及加速度感測器使智慧型行動椅移動,其硬體架構包括無刷直流馬達、無刷直流馬達驅動器、電源供應系統、智慧型行動椅機構及加速度感測器。而系統軟體則包含ARM軟體程式與DSP馬達控制程式,ARM軟體程式主要負責微控制器與電腦人機介面的通訊,而DSP馬達控制程式則負責馬達驅動控制與加速度感測器資料讀取。另外,人機介面程式以Visual Studio 2012為開發平台,此人機介面的功能包含控制運轉模式、繪製馬達轉速與電流波形,並將各項數據儲存於Excel,以便觀察各時間點的正確數據。
最後完成一個直流無刷馬達驅動器與智慧型行動椅之原型機種,透過步階響應的方式測試馬達控制效能,並透過圖形化人機介面顯示圖形且優化其控制性能。最終進行實體測試,在搭乘人的情況下測試加速度感測器的控制效能與馬達驅動能力。
This thesis presents a new control method for controlling an intelligent mobile chair, which user can move the seat by employing the varianced sensing devices. With respect to users, it is easy to manipulate the mobile chair without joystick. The user can move the mobile chair to any direction, just only tilting his posture of body. By detecting moving angle, setting command, the microcontroller can generate the corresponding modes of operation.
The core of system structure consists of an ARM and DSP controller, a brushless DC motor drive and an acceleration sensors. The hardware structure includes brushless DC motors, brushless DC motors drives, power supply systems and acceleration sensors. The system software composes of ARM and DSP control program. The human interface program is mainly handled by the ARM microcontroller. And the DSP microcontroller is responsible for driving motor control and saving data of the G-Sensor as well. In addition, the human interface program is basically programmed by using Visual Studio 2012 development platform. The function of this program includes the operation mode, plotting waveforms of the motor speed and current as well as saving the data in Excel in such a way to observe the correct data at each time point.
Finally, a prototype of an intelligent mobile chair is designed and implemented in this thesis. The experimental results such as the speed step response with different load conditions, the currents response for different speed condition and the sensitivity for the accerellation sensors as well as the human interface tests have verified the designed system feasibility. The manipulation of mobile chair has proved to be very friendly and easy to operate in practice
摘要 i
Abstract iii
目錄 v
圖目錄 x
表目錄 xix
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻探討 2
1.3 研究方向 4
1.4 論文貢獻 4
1.5 章節概要 5
第二章 永磁式馬達控制原理 7
2.1 永磁式馬達介紹 7
2.2 永磁式馬達等效數學模型推導 10
2.3 減速機構造 13
2.4 三相六開關馬達驅動器 18
2.5 電流導通方式 19
2.5.1 兩相導通模式(120°導通模式) 20
2.5.2 三相導通模式(180°導通模式) 22
2.5.3 正弦脈波寬度調變(SPWM) 26
2.6 轉子位置檢測 26
2.6.1 霍爾位置感測器 26
2.6.2 無霍爾感測器 29
2.7 PID控制器 29
2.7.1 比例控制 30
2.7.2 積分控制 31
2.7.3 微分控制 32
2.7.4 數位PID控制 34
第三章 系統機構與硬體設計 36
3.1 系統機構設計 36
3.2 硬體系統架構 38
3.3 系統規格參數 39
3.4 Concerto微控制器 42
3.4.1 DSP核心 43
3.4.2 ARM核心 45
3.4.3 共同記憶體 45
3.5 電流感測電路 48
3.6 電源系統設計 52
3.6.1 15V電壓供應系統 53
3.6.2 返馳式轉換器原理 55
3.6.3 脈衝寬度調變IC 60
3.6.4 光耦合器 61
3.6.5 返馳式轉換器電路架構 62
3.7 加速度感測晶片 64
3.8 無感測端電壓比較電路 66
第四章 系統軟體架構 69
4.1 控制軟體系統架構 69
4.2 轉速計算 83
4.3 SPI通訊 85
4.4 人機開發監控介面 87
第五章 實驗結果 92
5.1 機構設計 92
5.2 系統硬體電路 94
5.3 人機介面功能測試 97
5.4 馬達訊號量測 101
5.5 動力計測試平台架構 104
5.6 PI轉速控制無載步階 105
5.7 PI電流控制閉迴路波形量測 110
5.7.1 Case 1電流控制轉速步階(無載0 Kg) 112
5.7.2 Case 2電流控制轉速步階(有載20 Kg) 117
5.7.3 Case 3電流控制轉速步階(有載30 Kg) 122
5.7.4 Case 4電流控制轉速步階(有載40 Kg) 127
5.7.5 Case 5電流控制200rpm加載(20Kg) 132
5.7.6 Case 6電流控制200rpm加載(30Kg) 135
5.7.7 Case 7電流控制200rpm加載(40Kg) 138
5.7.8 Case 8電流控制300rpm加載(20Kg) 141
5.7.9 Case 9電流控制300rpm加載(30 Kg) 144
5.7.10 Case 10電流控制300rpm加載(40Kg) 148
5.7.11 Case 11電流控制400rpm加載(20 Kg) 151
5.7.12 Case 12電流控制400rpm加載(30Kg) 155
5.7.13 Case 13電流控制400rpm加載(40 Kg) 158
5.7.14 電流控制結論 162
5.8 SPI 傳輸介面測試 163
第六章 結論與展望 165
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