本研究設計全方位移動機器人的運動控制器與機構驅動器，達到電流控制、速度控制以及位置控制。運動控制器設計將以全方位移動機器人的動態方程式為依據，透過系統參數規劃系統的反應特性，並實現在PC-based控制器上。機構驅動的部分，以可程式化邏輯晶片FPGA(Field Programmable Gate Array)實現直流馬達數位式控制器。電路實現採用階層式與模組化設計方式，降低其複雜度，以電路共用的概念，降低邏輯閘數量。並以馬達性能設計閉迴路控制器，包含具備電流迴路PI控制器，以及馬達速度命令前饋+PI控制，且將傳統驅動器的週邊電路整合至FPGA中，是一個完整的驅動控制IP。在實作方面，依照所需之功能做設計，以VHDL語言在FPGA晶片上實現多個功能模組，發展的功能模組包括串列傳輸、電流回授數位接收、速度回授解碼、與PWM訊號產生等周邊電路模組；以及發展命令解碼模組，將接收到的控制命令解碼；最後是控制器模組的設計，由馬達端讀取的電流以及速度回授資料，並與下達給馬的命令做比較，設計為兩個控制模組，透過電流PI控制或速度前餽+PI控制，修正PWM訊號輸出，使馬達達到所希望的性能。

In this thesis, it presents the implementation of motion control for an omni-directional mobile robot, by using a multi-loop control structure, namely, current loop control, speed loop control and position loop control. The dynamics equation of the omni-directional mobile robot was inferred based on the theory of robot kinematics and dynamics. According to this dynamics model, the position loop controller was designed and implemented on a personal computer. The current and speed loop controllers were derived based on the characteristics of the driving motor, and realized by using digital logic circuits in a FPGA device. Using the concept of hierarchical and modular realization strategy, the logic circuits in the FPGA were re-used to reduce the design complexity and to decrease the total number of used gate counts in the FPGA. Totally six function modules were devised in this research, including the modules of UART, command decoder, current and position encoder feedback, current controller, motor speed controller, and PWM generator. The integrated system was tested on an omni-directional mobile robot, and the results showed that the developed multi-loop motion control was well-designed.

中文摘要	Ⅰ
英文摘要	Ⅱ
目錄	Ⅲ
圖目錄	Ⅴ
表目錄	VII
符號說明	VIII

1. 序論	1
1.1 研就動機與目的	1
1.2 相關文獻探討	1
1.3研究方法	2
1.4 論文架構	3

2. 全方位移動機器人的驅動設計	4
2.1全方位移動機器人運動控制	4
2.2直流馬達轉速控制	7
2.3開迴路馬達轉速控制	9
2.4馬達電流迴路控制	9
2.5前饋+PI控制馬達轉速控制	10
2.6積分終結現象	11

3. FPGA功能模組設計	13
3.1速度前饋+PI控制器模組	14
3.1.1誤差計算(減法器)模組	15
3.1.2乘法器及除法器	16
3.1.3積分器	18
3.1.4命令計算(加法器)模組	19
3.1.5過電流控制器	20
3.1.6速度前饋+PI控制器模組整合	21
3.2輸出入功能模組設計	22
3.2.1串列傳輸功能模組	22
3.2.2 PWM產生功能模組	22
3.2.3 A/D晶片啟動命令輸出功能方塊	23
3.2.4速度回授解碼器功能模組	24
3.3命令解碼模組	27
3.4電流PI控制器模組	28
3.5功能模組整合	31

4. 硬體設備	33
4.1 Altera Stratix EP1S10 SOPC	33
4.2馬達驅動系統	34
4.2.1驅動電路實現	35
4.3直流馬達	36
4.4 A/D轉換晶片	38

5. 實測與結果分析	40
5.1速度PI+前饋控制模組KI、KP系數調整	40
5.2電流PI控制模組KI、KP系數調整	42
5.3 機器人速度控制	43

6. 結論與未來研究方向建議	45
6.1研究結果討論	45
6.2未來研究方向	45

參考文獻	46
附錄A  FPGA串列傳輸功能模組	48




 
圖 目 錄

圖1.1  研究方法流程圖	2
圖2.1  行動機器人座標設定	6
圖2.2  力量關係圖	6
圖2.3 驅動輪動力關係圖	6
圖2.4 機器人動態系統方塊圖	7
圖2.5  PID控制方塊圖	7
圖2.6 直流馬達機電轉換	8
圖2.7 驅動輪動力關係圖	8
圖2.8 電壓控制型馬達驅動器方塊圖	9
圖2.9 具備開迴路馬達轉速控制的機器人運動控制	9
圖2.10 電流控制型馬達驅動器方塊圖	10
圖2.11 具備電流迴路控制的機器人運動控制	10
圖2.12  速度前饋+PI控制器方塊圖	11
圖2.13  具備馬達前饋+PI控制的機器人運動控制	11
圖2.14  具有較小的R、L、與ktke值的馬達動態特性方塊圖	11
圖2.15 具反積分終結機制的PID控制器	12
圖3.1 全方位自主機器人控制器硬體架構	14
圖3.2速度前饋+PI控制器電路規劃	14
圖3.3 速度前饋+PI控制器模組硬體架構	15
圖3.4 誤差計算(減法器)程式流程	16
圖3.5誤差計算(減法器)接腳電路方塊圖	16
圖3.6誤差計算(減法器) 時序模擬圖	16
圖3.7 lpm_mult Megafunction(乘法器)規劃界面	17
圖3.8  lpm_divide Megafunction(除法器)設定介面	17
圖3.9 積分器程式流程	18
圖3.10 積分器接腳電路方塊圖	18
圖3.11 積分器時序模擬圖	19
圖3.12  命令計算(加法器)模組程式流程	19
圖3.13  命令計算(加法器)模組腳位方塊圖	20
圖3.14  命令計算(加法器)模組時序模擬圖	20
圖3.15 過電流控制器腳位	21
圖3.16  速度前饋+PI控制器模組內部功能方塊連接圖	21
圖3.17 速度前饋+PI控制器模組整合	22
圖3.18 串列傳輸功能模組	22
圖3.19  PWM產生模組硬體架構	23
圖3.20  PWM產生功能模組輸出入腳位方塊圖	23
圖3.21不同設定信號產生不同之PWM脈波寬度調變	23
圖3.22  A/D晶片啟動命令輸出方塊腳位	24
圖3.23  A/D晶片啟動命令輸出方塊時序模擬圖	24
圖3.24 速度回授解碼器功能模組方塊圖	25
圖3.25  VF訊號計數方式示意圖	25
圖3.26  VHDL計數暫存器程式流程	26
圖3.27 速度回授解碼器接腳電路方塊圖	26
圖3.28  Velocity Feedback decoder模組時序模擬圖	26
圖3.29資料解碼功能模組程式流程圖	27
圖3.30  資料解碼功能模組腳位方塊圖	28
圖3.31 解碼器時序模擬圖	28
圖3.32 電流控制型控制器電路規劃	29
圖3.33  電流PI控制器模組硬體架構方塊圖	29
圖3.34 電流PI控制器模組內部命令計算功能方塊VHDL程式流程圖	30
圖3.35 電流迴授控制模組模組內部功能方塊連接圖	30
圖3.36電流迴授控制模組整合	31
圖3.37 電流迴授控制模組模組時序模擬圖	31
圖3.38 速度前饋+PI控制器	32
圖3.39 電流迴授控制器	32
圖4.1  Altera Stratix EP1S10實驗板外觀	34
圖4.2  內部結構圖	35
圖4.3  LMD18200接腳說明	35
圖4.4 馬達趨動電路圖	36
圖4.5編碼器實際訊號輸出波形圖	36
圖4.6編碼器訊號輸出腳位	37
圖4.7直流馬達外觀及尺寸	37
圖4.8  ADC0804 類比對數位轉換器電路	39
圖5.1  KP調整， PWM周期=10kHz	41
圖5.2  KP=7,不同KI值調整， PWM周期=10kHz	41
圖5.3  KP調整， PWM周期=10kHz	42
圖5.4  KP=1,不同KI值調整， PWM周期=10kHz	43
圖5.5  整體機器人外觀	43
圖5.6  機器人實際行走八方向剪輯圖	44
圖A.1 串列傳輸功能模組內部連結圖	48
圖A.2 串列傳輸VHDL程式撰寫流程圖	49
圖A.3 串列傳輸接收器功能方塊之時序模擬圖	50
圖A.4  PLL的規劃界面	51
圖A.5  鮑率以及取樣頻率產生方塊模擬時序圖	51


表 目 錄

表3.1 誤差計算(減法器)功能模組輸出入腳位說明	16
表3.2 績分器模組輸出入腳位說明	19
表3.3  命令計算(加法器)模組組輸出入腳位說明	20
表3.4 串列傳輸功能模組輸出入腳位說明	22
表3.5速度回授解碼器功能模組腳位說明	26
表3.6 資料解碼功能模組輸出入腳位說明	28
表4.1 Stratix EP1S10C6規格表	33
 

符號說明
xy		：固定場地座標
xmym		：定義機器人機體座標
Om		：定義機器人機體中心座標
 		：機器人在平面上的方位向量
 		：機器人在平面上的速度向量
 		：驅動輪的半徑
 		：機體座標相對於場地座標的角度
 		：第i輪的轉速
l		：全方位輪到機器人中心的距離
 		：驅動輪轉速向量
fx		：作用在機器人重心上x方向的力
fy		：作用在機器人重心上y方向的力
 		：作用在機器人重心上的力矩
 		：第i輪驅動力
M		：機器人的質量
 		：機器人的轉動慣量
 		：驅動輪的黏滯摩擦係數
 		：驅動輪沿著驅動軸旋轉的轉動慣量
 		：第i輪驅動馬達所輸入的扭力
d		：系統所受干擾力向量
g		：系統所受之重力
 		：機器人位置誤差向量
 		：機器人期望位置命令
Iw		：驅動輪沿著驅動軸旋轉的轉動慣量
 		：機器人系統參數矩陣
 		：機器人系統參數矩陣
 		：機器人系統參數矩陣
 		：機器人系統參數矩陣
 		：PID控制器的比例增益矩陣
 		：PID控制器的積分增益矩陣
 		：PID控制器的微分增益矩陣
v		：電樞電路的電壓
i		：電樞電路的電壓與電流
R		：電樞電路的電阻
L		：電樞電路的電感
 		：馬達速度誤差
 		：轉速命令
 		：實際轉速
M(s)		：馬達受控體轉移函數

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[29]	蔡正興，2001，全方位移動系統之設計與實現，淡江大學機電工程學系碩士論文。
[30]	蕭如宣，2003，SOPC系統設計，儒林圖書。