可校正偏心誤差之磁性編碼器開發

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姓名

王柏鈞(Po-Chun Wang) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

可校正偏心誤差之磁性編碼器開發
(Devolopment of the magnetic encoder that can correct eccentricity)

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摘要(中)

本研究以開發可校正誤差之磁性編碼器為核心，透過將磁性編碼器以及控制單元(Microcontroller Unit, MCU)進行結合，設計一個具訊號後處理以及補償的磁性編碼器感測電路。
根據先前實驗室的研究結果，本研究將透過定點數運算取代浮點數運算來降低MCU的運算時間並且使用二次多項式的拉格朗日插值法推估建立補償模型中所需要的餘弦波模型數值，並透過將誤差模型的數據進行分段取樣後進行快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT），透過這步驟可以大量減少計算所需記憶體的空間使得利用MCU進行FFT可行化。並透過步進馬達以全步進的方式進行驅動，根據補償後的數值與理論數值進行性能的對比驗證。
此外本研究同時提供使用者透過通訊方式更新補償模型的參數並將更新的參數存取於非揮發性記憶體中並於開機讀取，更新參數時不需再透過PC端編譯以及燒錄，更方便使用者進行使用。

摘要(英)

This study focuses on developing a magnetic encoder that can correct eccentricity. By integrating the magnetic encoder with a Microcontroller Unit (MCU), design a magnetic encoder sensing circuit with signal post-processing and compensation capabilities.
Based on previous laboratory research, this study replaces floating-point operations with fixed-point operations to reduce MCU computation time. Additionally, quadratic polynomials Lagrange interpolation method can estimate the sinusoidal model for compensation modeling. Furthermore, by segmenting and sampling the data, the required memory space for Fast Fourier Transform (FFT) can be significantly reduced, making it feasible to run FFT on MCU. By driving the stepper motors in full-step mode, comparing compensated values with theoretical values for validation.
Furthermore, this study allows users to update compensation model parameters via serial communication and stores parameters in non-volatile memory for boot-time retrieval. Users can update parameters without requiring PC-side compilation and burning, to make it more user-friendly.

關鍵字(中)

★ 偏心誤差
★ 磁性編碼器

關鍵字(英)

★ eccentricity error
★ magnetic encoder

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix
符號說明 xi
第一章緒論 1
1-1研究目的 1
1-2研究目的 1
1-2-1 重要性 1
1-2-2 困難點 2
1-2-3 技術重點 2
1-3研究構想 2
1-4論文章節 3
第二章基礎與理論 4
2-1旋轉編碼器介紹 4
2-1-1 旋轉編碼器種類 4
2-2記憶體介紹 8
2-2-1 揮發性記憶體 8
2-2-2 非揮發性記憶體 8
2-3馬達介紹 9
2-3-1馬達原理 9
2-3-2 步進馬達 9
2-4絕對型磁性編碼器的偏心誤差模型 11
2-4-1 偏心誤差發生原因 11
2-4-2 偏心誤差模型 11
2-5 拉格朗日插值法 13
2-6 COS4M-RTOS 13
第三章系統設計與驗證 14
3-1系統介紹 14
3-1-1 功能方塊流程介紹 14
3-2硬體介紹 15
3-2-1 電路設計 15
3-2-2 規格說明 17
3-3軟體介紹 21
3-3-1 角編溢位進位器 21
3-3-2 角編濾波器 22
3-3-3 誤差模型函式 23
3-3-4 命令處理器 25
第四章功能測試與結果討論 46
4-1實驗設計 46
4-1-1 M128進行FFT測試 46
4-1-2 EEPROM讀寫測試 47
4-2實驗結果 48
4-2-1 M128進行FFT測試 48
4-2-3 EEPROM讀寫測試 53
第五章 FFT演算法測試實驗結果與討論 26
5-1實驗設計 26
5-1-1 FFT演算法測試實驗 26
5-2實驗數據 28
5-2-1 FFT演算法測試實驗 28
第六章結論與未來展望 56
6-1結論 56
6-2未來展望 56
參考文獻 57

參考文獻

[1] 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, May, 2023, doi: 10.1109/JSEN.2022.3214575.

[2] J. Lara and A. Chandra, “Position error compensation in quadrature analog magnetic encoders through an iterative optimization algorithm,” IECON 2014 - 40th Annual Confere-nce of the IEEE Industrial Electronics Society, pp. 3043-3048, Dallas, TX, USA, 2014. doi: 10.1109 / IECON.2014.7048943.

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[7] Cilio, Andrea G. M. and Henk Corporaal. “Floating Point to Fixed Point Conversion of C Code.” Compiler Construction:8th International Conference, CC’99, Amsterdam, The Netherlands, March 22-28,1999. Proceedings 8. Springer Berlin Heidelberg,1999

[8] 莊翔竣，「領先角及電流雙迴路微步進馬達伺服驅動器開發」，國立中央大學，機械工程學系光機電工程博士班，博士論文，2023

[9] 郭偉晟，「步進馬達伺服控制演算法優化」，國立中央大學，機械工程學系光機電工程碩士班，碩士論文，2023

[10] 江士標，COS4M_RTOS，國立中央大學光機電工程研究所，未公開文件，2024

指導教授

江士標(Shyh-Biau Jiang)

審核日期

2025-1-10

推文