臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文主旨在利用嵌入式系統實現一個低成本、小尺寸、具回授以及整和RS232/422、SPI、I2C等介面，具高性能高效率之DC馬達伺服控制器，其中包括了有PIC微控制器，另外提供PC-based人機介面的參數輸入設定，讓使用者容易調整及設定，對於工業中型功率直流馬達控制驅動產業領域上具有實用性以及研究價值。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。在控制理論部分，為便於各種不同需求之應用，本論文分別以PID控制和可變結構控制來對馬達做精密的定位控制並畫出其系統響應曲線並進行效率及穩定性等各種特性進行分析比較。在通訊程式設計部分，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並回傳馬達系統響應曲線以便下一次參數設定的參考。採用之通訊界面為產業界普遍使用的RS232通訊界面，以及使用近年來業界最常使用的C# 程式語言來設計主控端的人機介面。
本論文所開發之系統可應用於關節型機器手臂上，一塊模組化後之電路板可分別驅動兩軸350W以下的中功率直流馬達。減少了驅動器的成本，簡化了系統的安裝、配線並能降低設備的成本。實驗的結果亦證明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 integrates 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 implementation with PID controller and variable structure controller for demonstrating the feasibility of the developed system.
This work implements a low cost, powerful, small size, and user friendly servo control system by integrating an embedded controller, driver, DC motor, and necessary feedback interface. The servo control system has a PIC microcontroller as the control kernel, the control and communication program are built in the program memory. Motor driver uses high-efficiency TI dual full-bridge driver, it can drive two DC motors under two groups of 7A simultaneously.
The designed servo control system has universal serial interface to receive command comes from master computer, such as RS232/422, SPI, and I2C protocol. The developed servo system is benefit to DC motor or robotic control system. The experimental results demonstrate the developed servo control system achieves high performance, high efficiency, small size and low cost. A user doesn’t require spending too much time on the controller design, therefore accelerated the time to market schedule.

摘要 i
Abstract iii
誌謝 v
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2文獻回顧 4
1.3本論文貢獻 6
1.4章節摘要 7
第二章 伺服馬達控制之系統 8
2.1直流馬達 8
2.1.1直流馬達系統數學模型 10
2.2直流有刷伺服控制卡設計 13
2.2.1控制核心P18F8722 14
2.2.2直流馬達驅動方式及電路 14
2.2.3 UART串列通訊電路 17
2.2.4回授信號處理電路 22
2.2.5完成直流馬達伺服控制卡 24
第三章 控制架構及基本控制理論 26
3.1控制架構 26
3.2 PID控制理論 27
3.2.1 PID控制器參數最佳調整法 29
3.3可變結構控制理論 31
第四章 人機介面程式設計 35
4.1人機介面操作說明 35
4.2通訊命令格式說明 37
4.3程式流程圖 39
4.4實例操作 40
第五章 實驗結果與討論 44
5.1馬達測試平台系統 44
5.2馬達規格 46
5.3系統識別 46
5.4直流馬達定位控制之實驗結果 50
5.5討論 54
5.6嵌入式電控系統使用手冊 54
5.6.1配線 55
5.6.2命令格式 57
5.6.3嵌入式電控系統之完成圖 57
5.7控制驅動器於滑軌控制之應用 58
第六章 結論與未來研究方向 62
6.1結論 62
6.2未來研究方向 63
參考文獻 64
作者簡介 68

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