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系統識別號 U0002-2108201212370100
中文論文名稱 輪型機器人之馬達控制器設計
英文論文名稱 Motor controller design for wheeled robots
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 羅佳弘
研究生英文姓名 Chia-Hung Lo
學號 699460183
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-09
論文頁數 72頁
口試委員 指導教授-李世安
委員-許陳鑑
委員-陳慶逸
委員-鄭吉泰
委員-翁慶昌
中文關鍵字 馬達控制  PI控制器  FPGA  SOPC 
英文關鍵字 motor control  PI control  FPGA  SOPC 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本文目的為提出一個直流馬達加減速控制器之設計方法,並用FPGA晶片實現應用於輪型機器人上。首先在馬達加速度控制上,本文設計一硬體PI控制器電路模組達到加速控制。在馬達減速控制上,本文設計一個煞車電路模組改善輪型機器人煞車時輪胎打滑狀況。本文亦在煞車電路模組內設計一個馬達保護電路模組,防止輪型機器人在高速運轉下將馬達往反方向切換時,造成馬達反電動勢過高燒毀馬達驅動IC,並設計一變頻控制器,改善馬達在低速運動時電流過低,無法做到馬達的速度控制。從本文最後實驗結果可知,所設計實現之PI硬體電路模組可在極短時間內將馬達速度控制到所需的速度。在煞車後之打滑狀況上,所設計之煞車減速電路模組亦能有效減少滑動距離,驗證所提之設計方法可有效改善晶片損毀問題,變頻控制器在低速控制命令下,能有穩定的電流輸出。
英文摘要 In this thesis, using the FPGA chip achieves the design of motor speed controller. We design a PI controller circuit module to achieve a acceleration control on the motors. On the motor deceleration control, we design a braking circuit module to improve the situation of the tire slipped when the wheel-type robot brakes. We also design a motor protection circuit module in the braking circuit module to prevent the wheel-type robot switching the high speed motor into the opposite direction. It will cause the motor to produce a back-EMF and burn the motor drive IC. We also design an variable-frequency controller to improve the situation of speeding control on the low-speed motor which the motor has low current. Finally, the experimental results show the PI hardware circuit module can control the motor speed to the requisite speed in a short time. At the slipping statue, the braked deceleration circuit can reduce the sliding distance effectively. Verifying the method can effectively improve the problem of chip damaged, and the inverter controller has a stable current outputs at low-speed control commands.
論文目次 目錄
第一章 序論 7
1.1研究背景與動機 7
1.2 論文架構 9
第二章 輪型機器人介紹 10
2.1第四代保全機器人介紹 10
2.1.1系統介紹 10
2.1.2系統架構介紹 13
2.1.3運動控制平台 19
2.2中型足球機器人 21
2.2.1系統簡介 21
2.2.2 系統架構介紹 24
2.2.3運動控制平台 29
第三章 馬達控制器設計 34
3.1馬達規格介紹 34
3.2命令轉換模組 35
3.3 馬達回授模組 36
3.4 PI控制器 40
3.5 保護電路模組 42
3.6 PWM產生模組 44
3.7 煞車減速電路模組 45
第四章 變頻控制 47
4.1 正弦波脈寬調變調制(SPWM) 47
4.2 正弦脈寬調制的實現 49
4.2.1 單極性調制 50
4.2.2 雙極性調變 51
4.3 變頻控制器 52
4.3.1 正弦正半波面積積分 53
4.3.2 資料庫硬體化 53
4.3.3 可程式化除頻器 54
4.3.4 變頻控制器 54
第五章 實驗結果與分析 56
第六章 結論與未來展望 70
參考文獻 71

圖目錄
圖2.1、2012新光保全競賽場地 12
圖2.2、機器人硬體架構 13
圖2.3、事件處理層架構圖 14
圖2.4、硬體控制層架構圖 17
圖2.5、機器人手臂機構圖 19
圖2.6、運動控制平台系統架構圖 20
圖2.7、FIRA中型機器人比賽場地 21
圖2.8、FIRA RoboSot競賽場地之俯視圖 22
圖2.9、FIRA中型足球機器人機構外觀 23
圖2.10、中型機器人足球競賽(2009年) 24
圖2.11、中型足球機器人之系統架構圖 25
圖2.12、全方位移動底盤之硬體配置圖 27
圖2.13、中型足球機器人之系統功能圖 28
圖2.14、全方位輪輪組機構 29
圖2.15、全方位輪 30
圖2.16、全方位輪示意圖 30
圖2.17、中型足球機器人之全方位輪組配置 31
圖2.18、全方位輪組配置與速度關係圖 32
圖3.1、馬達控制器模組架構圖 35
圖3.3、光電解碼器 36
圖3.4、光電盤訊號 37
圖3.5、光電盤訊號 37
圖3.6、光電盤訊號 38
圖3.7、光電盤訊號 38
圖3.8、乘四解碼電路 39
圖3.10、 PI控制模組 42
圖 3.11、保護電路模組 43
圖3.12、PWM電壓示意圖 45
圖3.13、煞車減速模組 46
圖4.1、單相橋式整流器的輸入端電壓和電流 47
圖4.2、正弦脈寬調變 48
圖4.3、SPWM調制 49
圖4.4、單極性調制 50
圖4.5、雙極性調制 51
圖4.6、雙極性調變工作特點 52
圖4.7、正弦波半波面積等份圖 53
圖4.8、PWM控制與變頻控制模組比較 55
圖5.1、中型足球機器人在無負載下之新版控制器的馬達速度響應 59
圖5.2、中型足球機器人在無負載下之舊版控制器的馬達速度響應 59
圖5.3、保全機器人在無負載下之新版控制器的馬達速度響應 60
圖5.4保全機器人在無負載下之舊版控制器的馬達速度響應 60
圖5.5、保全機器人在有負載下之新版控制器的馬達速度響應 61
圖5.6、中保全機器人在有負載下之舊版控制器的馬達速度響應 61
圖5.7、馬達加減速控制模組實體設計流程圖 62
圖5.8、馬達變頻控制模組實體設計流程圖 63
圖5.9、全速指令下PWM控制電壓輸出 64
圖5.10、低速下PWM控制電壓輸出 64
圖5.11、全速指令下變頻控制輸出_全速_50等份 65
圖5.12、低速指令下變頻控制輸出_50等份 65
圖5.13、全速指令下變頻控制輸出_128等份 66
圖5.14、低速指令下變頻控制輸出_128等份 66
圖5.15、變頻控制前段輸出電壓 67
圖5.16、變頻控制_後段 67
圖5.17、靜止時命令轉換模組時序圖 68
圖5.18、啟動時命令轉換模組時序圖 68
圖5.19、靜止時馬達回授模組時序圖 68
圖5.21、靜止時PI控制模組時序圖 68
圖5.22、啟動時PI控制模組時序圖 68
圖5.23、靜止時保護電路模組時序圖 69
圖5.24、啟動時保護電路模組時序圖 69
圖5.25、靜止時PWM產生模組時序圖 69
圖5.26、啟動時PWM產生模組時序圖 69
圖5.27、靜止時煞車減速模組時序圖 69
圖5.28、靜止時煞車減速模組時序圖 69
圖5.29、啟動時變頻控制模組時序圖 69



表目錄
表2.1、2012新光保全競賽場地表格 11
表2.2、第四代保全機器人規格 11
表3.1、馬達規格表 34
表3.2、電腦端命令封包(8 bits) 36
表3.3、煞車動作指令表 46
表5.1、新版PI控制器性能表 58
表5.2、舊版PI控制器性能表 58
表5.3、煞車減速模組測試表 58

參考文獻 [1] 蔡鎧鍾,線性永磁同步馬達速度控制之FPGA晶片研製,國立交通大學電機
與控制工程系所碩士論文,2009年。
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[12] 維基百科,URL:
http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%98%B2%E9%8E%96%E6%AD%BB%E7%85%9E%E8%BB%8A%E7%B3%BB%E7%B5%B1
[13] URL:http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1007033104446
[14] URL: http://www.fira.net/
[15] 王侯禕,多足球機器人之策略設計,淡江大學電機工程學系博士論文(指導 教授:翁慶昌),2008。
[16] 劉智誠,全方位模糊運動控制器之設計與實現,淡江大學電機工程學系碩士論文(指導教授:翁慶昌),2007。
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