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研究生: 盛首鳴
Sheng, Shou-Ming
論文名稱: 馬達速度控制之速度估測器設計與實現
Design and Implementation of Velocity Estimators for Motor Velocity Control
指導教授: 何明字
Ho, Ming-Tzu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 167
中文關鍵詞: 速度估測器微分器速度控制
外文關鍵詞: velocity estimator, differentiator, velocity control
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  • 本論文旨在藉由速度估測器來提高馬達速度控制的性能。在伺服馬達上,通常藉由編碼器感測位置,再由簡單的純微分器演算法將相臨兩次取樣間的位移量除以取樣時間以得到速度供回授控制之用,但這會導致量測到的雜訊被放大,因此必須依靠速度估測器來改善此問題。本論文研究了PI Servo-loop速度估測器、Levant微分器和卡門濾波器三種速度估測器,並且先以MATLAB/Simulink軟體進行模擬,接著將三種速度估測器都轉為差分方程式,再用MATLAB軟體模擬比較當以實際馬達位置訊號當輸入時,三種速度估測器速度估測之性能,確認實作之可行性。而在實作上,本系統使用德州儀器公司(Texas Instruments, TI)所生產的數位訊號處理器TMS320F28335做為核心以實現速度估測器演算法,經比較結果後以卡門濾波器在速度控制上的性能最佳。

    SUMMARY
    The aim of this thesis is to study the performance improvement of motor velocity control using velocity estimators. In practice, most servomotors use the encoder to measure the position of the motor and then use the simple differential algorithm, dividing the displacement between two sampling points by the sampling time, to obtain the velocity for feedback control. However, this way can result in serious noise amplification. In this study, velocity estimators are used to solve this problem. This thesis compares three velocity estimators including PI Servo-loop velocity estimator, Levant differentiator, and Kalman filter. First, MATLAB/Simulink are used to simulate these velocity estimation algorithms. For further validation, these velocity estimation algorithms are realized and tested in the difference formulas with the actual motor position signals. In experiments, the algorithms are implemented on a digital signal processor (TMS320F28335) from Texas Instruments. As a result, the Kalman filter outperforms the other velocity estimators in velocity control.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 X 目錄 XI 圖目錄 XIV 表目錄 XIX 第一章 緒論 1-1 研究背景 1-1 1-2 研究動機及目的 1-1 1-3 研究步驟 1-2 1-4 相關文獻探討 1-6 1-5 論文結構 1-7 第二章 編碼器之速度估測器方法介紹 2-1 前言 2-1 2-2 增量型編碼器之編碼原理和純微分方法介紹 2-2 2-3 速度估測器之方法介紹 2-5 2-3-1 PI Servo-loop速度估測器 2-5 2-3-2 Levant 微分器 2-9 2-3-3卡門濾波器 2-12 2-3-3-1 感測器融合(sensor fusion)―兩個感測器的量測問題 ………………………………………………………2-13 2-3-3-2 純量形式的卡門濾波器 2-14 2-3-3-3 向量形式的卡門濾波器 2-19 第三章 速度估測器之MATLAB/Simulink和離散程式化模擬比較 3-1 前言 3-1 3-2 速度估測器MATLAB/Simulink模擬 3-1 3-3 速度估測器之離散化 3-7 3-4 以編碼器訊號為輸入之模擬結果 3-10 3-5 速度估測器在數位訊號處理器上之定點運算之實現 3-18 第四章 系統控制核心晶片與周邊電路介紹 4-1 前言 4-1 4-2 控制核心晶片與模組 4-2 4-2-1 數位訊號處理器TMS320F28335 4-2 4-2-2 正交編碼脈衝介面 4-3 4-2-3 類比數位轉換器介面 4-4 4-2-4 脈衝寬度調變介面 4-5 4-2-5 通用型輸入輸出介面 4-5 4-2-6 PWM電壓位準提升與隔離電路 4-5 4-3 馬達變頻驅動模組 4-6 第五章 微分器韌體實現與旋轉馬達和線性馬達平台測試驗證 5-1 前言 5-1 5-2 整體系統架設 5-1 5-3 速度估測器之開迴路實作與模擬結果比較 5-2 5-4 速度估測器之頻域響應 5-7 5-5 旋轉馬達平台介紹與速度估測器之閉迴路速度控制實作驗證 5-33 5-5-1 旋轉馬達之速度估測器實作結果比較 5-36 5-5-2 旋轉馬達之速度估測器實作閉迴路結果驗證 5-39 5-6 線性馬達平台介紹與速度估測器之閉迴路速度控制實作驗證 5-44 5-6-1 線性馬達之速度估測器實作結果比較 5-45 5-6-2 線性馬達之速度估測器實作閉迴路結果驗證 5-47 5-7 線性馬達和旋轉馬達低速控制性能改善 5-49 5-8 速度估測器之運算量結果比較 5-52 5-9 結果討論 5-52 第六章 簡化卡門濾波器和溢位問題 6-1 前言 6-1 6-2 簡化卡門濾波器實作比較結果 6-1 6-3 QEP編碼器讀值溢位問題解決 6-4 第七章 結論與未來展望 7-1 結論 7-1 7-2 未來展望 7-2 參考文獻 Ref-1

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    [23]Root mean square deviation, Wikipedia,
    https://en.wikipedia.org/wiki/Root-mean-square_deviation

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