步進馬達伺服控制演算法優化

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：8

、訪客IP：18.119.140.103

姓名

郭偉晟(WEI-CHENG KUO) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

步進馬達伺服控制演算法優化
(Optimization of servo control algorithm for stepping motor)

相關論文

★ CIS數位影像處理平台之建構	★ 微電鍍成長速度最佳化與影像監控
★ 橢圓辨識演算法之最佳化與誤差分析	★ 頻率響應分析儀實作
★ 分散式驅動器開發	★ 超音波定位平台原型開發
★ 地磁感測儀研發	★ 雙頻式超音波測距系統之最佳化研究
★ 鋰電池殘電量測系統及校正	★ 影像壓縮網路攝影平台
★ 智慧型網路攝影平台	★ 無扭力計跑步機跑者步態量測
★ ESEMS太空氣象科學酬載叢集	★ 影像辨識測試平台的開發
★ 智慧型網路攝影機開發平台	★ 可補償高精度三軸地磁量測平台

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

至系統瀏覽論文 ( 永不開放)

摘要(中)

本研究以步進馬達伺服控制為基礎，簡化軟體演算法並將演算法由浮點數(Floating Point)轉換為定點(Fixed Point)運算，而提升比原始系統更高的控制頻率。
此外研究還使用二次多項式的拉格朗日插值法，計算近似於正弦波與餘弦波數值。由於弦波具有對稱的特性，插值法只需要紀錄四分之一個弦波函數點，這可以減少微控制器單元( Microcontroller Unit , MCU)記憶體的空間使用量。然而在二次多項式的拉格朗日插值法的運算過程中，需要使用到除法，這樣的操作使得計算時間變長。為了克服這個問題，將弦波的0至360度等分為256份，且讓函數點以二的次方作為計算點，因此可以使用位元操作（bitwise）來取代除法，成功地縮短了程式的運行時間。
控制方面利用積分單元(Integral, I) 激磁角回饋以及比例單元與積分單元(Proportional-Integral, PI)電流回饋，雙迴路系統控制，而I激磁角回饋控制，是受到齒槽轉矩影響，定子與轉子之間會形成偏向誤差，因此為了消除偏向誤差，驅動器需提反方向的扭矩來抵消齒槽扭矩。PI電流回饋是為了降低電流，且依照不同負載情形調整所需的電流，可以減少功耗。

摘要(英)

This study is based on step motor servo control. We simplified the software algorithm and transformed it from floating-point to fixed-point operations, which has successfully increased the control frequency beyond that of the original system.
Additionally, the research employs the quadratic polynomial Lagrange interpolation method to approximate sine and cosine wave calculations. Because sinusoidal waves exhibit symmetrical characteristics, the interpolation method only needs to record one quarter of the wave′s data points, reducing memory usage in the Microcontroller Unit (MCU). However, the calculation process of the quadratic polynomial Lagrange interpolation method requires division, leading to an extended computation time. To address this issue, we divided the full range of the wave (0 to 360 degrees) into 256 parts, with function points representing powers of two. This allowed us to replace division with bitwise operations, significantly reducing program execution time.
In terms of control, we utilized integral (I) for excitation angle feedback and proportional-integral (PI) for current feedback in a dual-loop control system. The I excitation angle feedback is affected by the cogging torque, causing an offset error between the stator and rotor. To eliminate this offset error, the driver needs to provide a counter-torque to offset the cogging torque. PI current feedback is utilized to minimize current, adjusting the required current according to different load conditions and thereby reducing power consumption.

關鍵字(中)

★ 步進馬達驅動
★ 定點數運算
★ 多項式內插法

關鍵字(英)

★ stepper motor drive
★ fixed-point number operation
★ multinomial interpolation,

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
符號說明 X
第一章緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2文獻回顧 2
1-3 研究構想 5
1-4 論文章節 6
第二章、基礎與理論 7
2-1 馬達介紹 7
2-2 控制原理 10
2-3 定點數與浮點數表示 11
2-4拉格朗日插值法 12
第三章、系統設計與驗證 13
3-1 系統介紹 13
3-2 硬體介紹 15
3-3 軟體介紹 24
第四章、實驗設計與數據討論 31
4-1 實驗設計 31
4-2 實驗數據 35
4-3 實驗數據討論與分析 65
第五章、結論與未來展望 69
5-1 結論 69
5-2 未來展望 69
參考文獻 70
附錄一驅動器接頭規格表 72

參考文獻

[1] 鄧翔冠，「微步進伺服馬達驅動器設計」，國立中央大學，機械工程學系光機電工程碩士班，碩士論文，2020。
[2] 沈晏平，「應用C4M-OS實作微步進馬達伺服驅動器」，國立中央大學，機械工程學系光機電工程碩士班，碩士論文，2021
[3] 孔崇維，「步進馬達伺服控制驅動器設計改良及校正」。國立中央大學機械工程學系，碩士論文，2022。
[4] 聖釜電機： "步進馬達NEMA8", 2023年7月2日取自： https：//www.sumfu.com/step/nema8
[5] Elmenreich, Wilfried, Maximilian Rosenblattl, and Andreas Wolf. "Fixed point library based on ISO/IEC standard DTR 18037 for atmel AVR microcontrollers." 2007 Fifth Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems. IEEE, 2007.
[6] Cilio, Andrea GM, and Henk Corporaal. "Floating point to fixed point conversion of C code." Compiler Construction： 8th International Conference, CC’99, Held as Part of the Joint European Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS’99, Amsterdam, The Netherlands, March 22-28, 1999. Proceedings 8. Springer Berlin Heidelberg, 1999.
[7] M. Metz, A. Haberli, M. Schneider, R. Steiner, C. Maier and H. Baltes, "Contactless angle measurement using four Hall devices on single chip," Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers ′97), Chicago, IL, USA, 1997
[8] Hu, Xiaolin, Yanrong Zhang, and Yan Lu. "Research on vector control and subdivision drive technology of two-phase hybrid stepper motor based on SVPWM." IOP Conference Series： Materials Science and Engineering. Vol. 381. No. 1. IOP Publishing, 2018.
[9] ams, "AS5047D 14-Bit On-Axis Magnetic Rotary Position Sensor with 11-Bit Decimal and Binary Incremental Pulse Count," AS5047D datasheet, Jan. 2016 [Revised Apr. 2016].
[10] ams, "AN500 Rotary Mannetic Position Sensors" AS5047D datasheet, Sep. 2016 [v1-04]
[11] Texas Instruments, "DRV8847 Dual H-Bridge Motor Driver," DRV8847 datasheet, July. 2018 [Revised Sept. 2019].
[12] Atmel, ATmega128, "8-bit Atmel Microcontroller with 128KBytes In-System Programmable Flash",
[13] Texas Instruments, " TXS0104E 4-Bit Bidirectional Voltage-Level Translator for Open-Drain and Push-Pull Applications" TXS0104E datasheet, July. 2018 [Revised Oct. 2020].
[14] Analog Devices Inc., "High Voltage, Bidirectional Current Shunt Monitor," AD8210 datasheet, Apr. 2006 [Revised Sept. 2017].
[15] S. -B. Jiang, H. -C. Chuang, C. -W. Kung, X. -G. Deng, Y. -P. Shen and L. -W. Chen, "Innovative Microstepping Motor Controller With Excitation Angle-Current Dual-Loop Feedback Control," in IEEE Access, vol. 11, pp. 62382-62393, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3288023.
[16] 江士標，步進馬達伺服驅動器用圖，國立中央大學光機電工程研究所，未公開文件，2023。
[17] 江士標，步進馬達伺服驅動器規格書，國立中央大學光機電工程研究所，未公開文件，2023。
[18] 江士標，步進馬達伺服驅動器設計書，國立中央大學光機電工程研究所，未公開文件，2023。
[19] 江士標，C4M_SRTOS_M128，國立中央大學光機電工程研究所，未公開文件，2023。
[20] H. -C. Chuang, C. -W. Kung, L. -W. Chen and S. -B. Jiang, "Nonlinear Error Correction for Magnetic Encoders," in IEEE Sensors Journal, vol. 23, no. 9, pp. 9129-9135, 1 May1, 2023, doi: 10.1109/JSEN.2022.3214575.

指導教授

江士標

審核日期

2023-7-24

推文