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研究生: 李柏辰
Lee, Po-Chen
論文名稱: 加速度觀測器於線性平台之追蹤控制應用
Acceleration Observation for Tracking Control of a Linear Motion Stage
指導教授: 呂有勝
Lu, Yu-Sheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 138
中文關鍵詞: 觀測器壓電式加速規電容式加速規加速度干擾估測器
英文關鍵詞: observer, piezoelectric accelerometer, capacitive accelerometer, acceleration-based disturbance observer
DOI URL: https://doi.org/10.6345/NTNU202203461
論文種類: 學術論文
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  • 本文研究主為找出品質良好之加速度訊號,並應用於線性平台系統以達到更好的控制性能。本文實驗使用之加速規為壓電式和電容式加速規,並使用其量測之加速度應用於線性平台的追蹤控制。
    研究動機是為改善加速規之缺陷,由於壓電式加速規無法量測到低頻訊號,因此壓電式加速規的運用是受限的;電容式加速規雖具有較完整之量測能力,但有訊號雜訊較大且動態頻寬較小之缺點。本論文主要提出整合式加速規及設計加速度觀測器,來改善加速規缺點;整合式加速規為融合電容式與壓電式加速規兩者,而加速度觀測器結合壓電式加速規量測的加速度訊號與光學尺量測的位置訊號,以補償壓電式加速規量測無法量測低頻加速度的缺陷。
    本文實驗平台以伺服馬達結合導螺桿組成之線性平台,進行直線運動定位及追蹤控制。採用TI TMS320C6713 DSP與Xilinx可程式閘陣列(FPGA)結合而成之控制器硬體核心,並以C語言與硬體描述語言(VHDL)作為控制器設計之發展工具。本文使用提出的方法、壓電式與電容式加速規,以不同方式得到加速度訊號,並且使用於加速度干擾補償器(acceleration-based disturbance observer, ADOB)於平台的位置控制,以比較不同加速度訊號對控制性能的影響。由實驗結果可知,本文提出的方法皆能有較好的控制性能。

    This thesis is to find a good acceleration signal for high-precision control, in which piezoelectric and capacitive accelerometers are used.
    Although the piezoelectric accelerometer possesses excellent dynamics, it cannot measure the dc acceleration. On the other hand, the capacitive accelerometer is able to measure the dc acceleration, but its signal quality is poor and dynamic performance is inadequate. Therefore, this paper proposes a digitally integrated accelerometer and an observer to estimate the acceleration. The first one digitally fuses two accelerometers, that is, the piezoelectric and the capacitive accelerometers. The other one uses on the information on the position and also an acceleration signal that is produced by the piezoelectric accelerometer. The observer is devised to estimate the low-frequency components of acceleration that cannot be accurately measured by the piezoelectric accelerometer.
    This paper experimental systems: one contains a brushless servo motor and a commercially available single-axis ball screw. In the experimental system, the control kernel is a DSP/FPGA system, and the C language and VHDL are utilized as developing tools for the servo control system. An acceleration-based disturbance observer (ADOB) to experimentally compare performance of various acceleration signals. Experimental results show that the proposed schemes can produce better transient and steady responses than past approaches.

    摘 要 i ABSTRACT ii 致謝 iv 目錄 v 圖目錄 ix 表 xvii 目錄 xvii 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2文獻回顧 1 1-2-1加速度干擾估測器(acceleration-based disturbance observer , ADOB) 1 1-2-2 Position Acceleration Integrated Disturbance Observer[2] 2 第二章 實驗系統介紹與系統鑑別 5 2-1系統架構 5 2-1-1 硬體架構 5 2-1-2訊號處理架構 7 2-1-3 系統位置與速度回授訊號 8 2-2系統鑑別 8 第三章 整合式加速規及加速度觀測器設計與模擬 12 3-1 加速規介紹 12 3-1-1 壓電式加速規 12 3-1-2 電容式加速規 13 3-1-3整合式加速規 14 3-2實驗用加速規及其模型建立 15 3-2-1 壓電式加速規 15 3-2-2 電容式加速規 15 3-2-3 整合式加速規 16 3-2-3 整合式加速規 16 3-3 加速度觀測器(Acceleration Observer)設計 18 3-3-1加速度觀測器(Acceleration Observer) 18 3-3-2擴增型加速度觀測器(Extended Acceleration Observer) 20 3-4整合式加速規模擬 21 3-5加速度觀測器模擬 23 3-5-1 加速度觀測器性能比較 23 3-5-2 PD控制器設計 25 第四章 應用整合式加速規於干擾補償實驗 27 4-1開迴路實驗 27 4-2實驗條件 28 4-3定位實驗 29 4-3-1 定位控制無干擾補償實驗 29 4-3-2 定位控制干擾補償實驗 31 4-4拋物線軌跡追蹤控制實驗 36 4-4-1 拋物線追蹤控制無干擾補償實驗 36 4-4-2 拋物線追蹤控制干擾補償實驗 38 4-5弦波軌跡追蹤控制實驗 44 4-5-1 弦波軌跡追蹤控制無干擾補償實驗 44 4-5-2 弦波軌跡追蹤控制干擾補償實驗 46 4-6最小jerk追蹤實驗 51 4-6-1 最小jerk追蹤控制無干擾補償實驗 51 4-6-2 最小jerk追蹤控制干擾補償實驗 53 第五章 加速度觀測器於干擾補償實驗 58 5-1定位實驗 58 5-1-1 定位控制無干擾補償實驗 58 5-1-2 定位控制干擾補償實驗 59 5-2拋物線追蹤實驗 63 5-2-1 拋物線追蹤控制無干擾補償實驗 63 5-2-2 拋物線追蹤控制干擾補償實驗 64 5-3弦波軌跡追蹤實驗 68 5-3-1弦波軌跡追蹤控制無干擾補償實驗 68 5-3-2弦波軌跡追蹤控制干擾補償實驗 70 5-4最小jerk追蹤實驗 74 5-4-1最小jerk之追蹤控制無干擾補償實驗 74 5-4-2最小jerk之追蹤控制干擾補償實驗 75 5-5 PAIDO於線性平台之參數選擇 79 5-6 PAIDO、加速度觀測器與擴增型加速度觀測器比較於定位實驗 80 5-6-1定位控制無干擾補償實驗 80 5-6-2定位控制干擾補償實驗 82 5-7 PAIDO、加速度觀測器與擴增型加速度觀測器比較於拋物線追蹤實驗 86 5-7-1拋物線追蹤控制無干擾補償實驗 86 5-7-2拋物線追蹤控制干擾補償實驗 87 5-8 PAIDO、加速度觀測器與擴增型加速度觀測器比較於弦波軌跡追蹤實驗 92 5-8-1弦波軌跡追蹤控制無干擾補償實驗 92 5-8-2弦波軌跡追蹤控制干擾補償實驗 93 5-9PAIDO、加速度觀測器與擴增型加速度觀測器 PAIDO與加速度觀測器比較最小jerk實驗 98 5-9-1最小jerk追蹤控制無干擾補償實驗 98 5-9-2最小jerk追蹤控制干擾補償實驗 99 第六章 觀測器之觀測狀態回授 104 6-1觀測器之觀測狀態回授控制 104 6-2 加速度觀測器狀態回授於定位控制 104 6-3 加速度觀測器狀態回授於拋物線追蹤控制 108 6-4 加速度觀測器狀態回授於弦波軌跡追蹤控制 111 6-5 加速度觀測器狀態回授於最小jerk追蹤控制 115 6-6 擴增型加速度觀測器狀態回授於定位控制 119 6-7 擴增型加速度觀測器狀態回授於拋物線追蹤控制 123 6-8 擴增型加速度觀測器狀態回授於弦波軌跡追蹤控制 126 6-9 擴增型加速度觀測器狀態回授於最小jerk追蹤控制 130 第七章 結論 135 參考文獻 137 附錄 A 138

    [1] 王彥鈞,無刷伺服系統之加速度觀測與干擾補償,碩士論文,國立台灣 師範大學機電工程學系,2015。
    [2] S. Katsura, K. Irie, and K. Ohnishi, “Wideband force control by position-acceleration integrated disturbance observer,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 4, pp. 1699-1706, Apr. 2008.
    [3] J.C. Zheng, M.Y. Fu, “A reset state estimator using an accelerometer for enhanced motion control with sensor quantization,” IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., vol. 18, no. 1, pp. 79-90, 2010.
    [4] 劉聖濠,積分控制之初始值補償策略實作,碩士論文,國立雲林科技
    大學機械工程系,2008。
    [5] 李岳豈,改良型積分器於伺服馬達之定位控制應用,國立臺灣師範大學機電科技學系碩士論文,2012。
    [6] 龔俊瑋,重置型積分器於內部模型原理之應用,國立臺灣師範大學機電科技學系碩士論文,2013。
    [7] 333B50 Accelerometer datasheet, PCB Piezotronics Inc.
    [8] ADXL325 Accelerometer datasheet , Analog devices, 2004.

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