臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出以FPGA-Based X51運動控制卡的系統架構，運用於三軸座標量測平台的運動控制的規劃應用。本控制器之硬體架構以TMS320F2812為單軸馬達控制核心，馬達驅動器是以三菱電機公司所製造的智慧型功率模組(IPM)來製作。設計各軸具有電流、速度、位置回饋之PID控制器。設計完成之後，再用TMS320F2812實際驗證，達到馬達控制的目的。
本論文提出馬達驅動器設計針對馬達額定工作電壓與電流、驅動頻率的選擇，而採用三菱電機公司所製造的智慧型功率模組IPM(Intelligent power module)來製作，此IPM內含有六組IGBT，六組閘極驅動電路，兩組驅動IGBT上下臂IC及三組故障檢知保護電路。可以驅動三相交流伺服馬達、交流感應馬達以及直流伺服馬達。利用既有的發展平台完成馬達的電流、速度、位置控制系統。完成位置閉迴路後，以軌跡命令S-curve驗證在穩態誤差、追隨誤差是否達到要求。

This thesis is base on FPGA-Based X51 motion control card as system structure which can be applied to three axis motion control platform planning applications. The controller hardware used TMS320F2812 as uniaxial motor control core, and this motor drive is made from IPM (Intelligent power module) by MITSUBISHI ELECTRIC Co., Ltd. The aim is to design a PID controller which contains feedbacks of current, velocity, and position; and then, when the design is complete, we try and verify with TMS320F2812 in order to achieve the purpose of motor control.

This thesis states the motor drive design is based on the choices of used voltage, current and driven frequency. Therefore, we use IPM (Intelligent power module) made by MITSUBISHI ELECTRIC Co., Ltd. This IPM contains six groups’ IGBT, six groups’ gate drive circuit, two groups’ drive IC of IGBT’s upper and lower arm and three groups’ protecting circuit used for fault check. IPM can drive three-phase AC servo motor, AC induction motor and DC servo motor. We use this platform to complete control system of motor’s current, velocity, and position. After finishing position closed loop, we try and verify steady-state error with the orbit command named “S-curve”, and trace the error to see if it meets requirements or not.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 本文架構 3
第二章 應用理論及方法 4
2.1 直流馬達數學模型 4
2.1.1 電流閉迴路伺服控制器設計 6
2.1.2 速度閉迴路伺服控制器設計 8
2.1.3 位置開迴路伺服控制器設計 9
2.2 加減速曲線 9
2.2.1 梯形速度曲線 9
2.2.2 S形速度曲線 13
2.3 PID控制器特性分析 22
2.3.1 PD控制器 23
2.3.2 PI控制器 23
2.3.3 PID控制器 24
第三章 DSP-Based F2812數位控制板 28
3.1 DSP F2812數位控制板簡介 28
3.2 ADC電路模組 36
3.2.1 ADC電路模組的設計流程 36
第四章 馬達驅動級架構與研製 38
4.1 驅動級簡介 38
4.2 脈波寬度調變(PWM)簡介 39
4.2.1 類比脈波寬度調變 40
4.2.2 數位脈波寬度調變 42
4.3 馬達驅動級系統 50
4.3.1 伺服馬達驅動級電路板製作 50
4.3.2 智慧型功率模組(Super Mini DIP-IPM)介紹 52
4.3.3 驅動High-side&Low-side IC介紹 56
4.3.4 光耦合電路介紹 58
4.3.5 電流量測電路介紹 61
第五章 多軸量測平台之馬達控制器設計 64
5.1 控制器設計 67
5.1.1 電流閉迴路控制器設計 67
5.1.2 速度閉迴路控制器設計 72
5.1.3 位置閉迴路控制器設計 80
第六章 系統架構與實驗結果 88
6.1 硬體架構 89
6.1.1 三軸座標量測平台系統介紹 92
6.2 軟體架構 94
6.3 軌跡追蹤實驗 94
6.3.1 三軸同動軌跡追蹤結果 96
第七章 結論與建議 109
7.1 結論 109
7.2 建議 109
參考文獻 110
作者簡介 112

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