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研究生: 王彥鈞
Wang, Yan-Jun
論文名稱: 無刷伺服系統之加速度觀測與干擾補償
Acceleration Observation and Disturbance Compensation for a Brushless Servo System
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: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 153
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補償器
英文關鍵詞: observer, piezoelectric accelerometer, capacitive accelerometer, disturbance observer based on the acceleration
論文種類: 學術論文
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  • 本文研究主旨為找出良好的加速度訊號,應用於線性平台系統上,達到高精密控制的需求,而本文實驗用的加速規為壓電式加速規和電容式加速規作為量測系統的加速度與研究應用。
    研究動機是改善壓電式加速規無法量測低頻直流成份,因此可以判斷出在大多數的伺服系統上,壓電式加速規是不適用的;而在電容式加速規具有完整之量測能力,但因電容式加速度訊號雜訊較大,且動態頻寬較小。因此, 本論文主要的貢獻在於實現提出數位化整合式加速規來量測加速度及設計加速度觀測器方式來觀測加速度來解決此問題,前者為將電容式與壓電式加速規進行數位化整合來量測低頻加速度成份,後者利用壓電式加速規量測加速度訊號與光學尺量測之位置訊號觀測出低頻加速度成份。本文將此提出的方法與壓電式、電容式加速規比較,並應用於加速度干擾補償器(disturbance observer based on acceleration signal, ADOB)之控制性能比較。
    本文實驗平台以無刷伺服馬達結合導螺桿組成之線性平台,進行直線運動定位控制驗證。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。本文搭配加速度干擾補償器(ADOB),將數位化整合式加速規及加速度觀測器設計方法應用於實驗平台的位置控制,並且由實驗結果可知本方法具有實用性。

    This paper is to find a good acceleration signal achieve high-precision control of demand in the linear systems. Using piezoelectric accelerometer and capacitive accelerometer to measure the acceleration and research applications.
    Research on Motivation is to improve 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 singal quality is poor and dynamic behavior is inadequate.Therefor,the main contribution of this paper is proposes the digitally integrated accelerometer and the observer to estimate the acceleration. The first one based on the digitally integrated provided by the piezoelectric accelerometer and the capacitive accelerometer. Another one based on the information on the position and an acceleration signal provided by the piezoelectric accelerometer, an observer is devised to estimate the low-frequency components of acceleration that cannot be accurately measured by the piezoelectric accelerometer. In other words, the observer is able to provide an acceleration estimate that is superior to those provided by the piezoelectric and the capacitive accelerometers. Experimental studies with a brushless servomotor compare the observed acceleration with other approaches. Moreover, using a disturbance observer based on the acceleration (ADOB), those acceleration signals are applied to the brushless servomotor in order to further verify the effectiveness of the proposed observer.
    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. Experiments of the digitally integrated accelerometer and acceleration observer design method using a disturbance observer based on the acceleration (ADOB) of the control performance comparison and proven to have better transient and steady responses than past approaches.

    摘要 I ABSTRACT II 致謝 IV 目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 論文架構 3 第二章 實驗系統與系統鑑別 4 2.1 系統架構 4 2.2 系統硬體架構 6 2.2.1 訊號處理架構 6 2.2.2 系統位置與速度回授訊號 7 2.2.3 線性平台系統鑑別 9 第三章 數位化整合式加速規設計及干擾補償應用 11 3.1 加速規簡介 11 3.1.1 壓阻式加速規 11 3.1.2 壓電式加速規 12 3.1.3 電容式加速規 14 3.1.4 整合式加速規 15 3.2 數位化整合式加速規 17 3.3 實驗用加速規及其模型建立 18 3.3.1 電容式加速規 18 3.3.2 壓電式加速規 19 3.3.3 整合式加速規 19 3.3.4 數位化整合式加速規 21 3.4 數位化整合式加速規於干擾補償之應用 22 3.4.1 開迴路模擬 22 3.4.2 加速度干擾補償器 24 3.4.3 應用加速規於PD定位控制之模擬 26 第四章 應用加速規於干擾補償實驗 33 4.1 數位化整合式加速規於干擾補償之應用 33 4.1.1 開迴路實驗 33 4.1.2 應用加速規於PD定位控制之實驗 34 4.1.3 應用加速規於PD位置追蹤控制之實驗 41 第五章 加速度觀測器之設計及應用 48 5.1 使用位置與加速度估測干擾(Position Acceleration Integrated Disturbance Observer,PAIDO) 48 5.2 加速度觀測器設計49 5.3 加速度觀測器於干擾補償之應用 51 5.3.1 開迴路模擬 51 5.3.2 PD定位控制模擬 53 第六章 加速度觀測器於干擾補償實驗 58 6.1 PAIDO參數調整分析 58 6.2 加速度觀測器參數調整分析 59 6.3 加速度觀測器於干擾補償之應用 62 6.3.1 開迴路實驗 62 6.3.2 PD定位控制實驗 62 6.3.3 PD位置追蹤控制實驗 65 6.3.4 PID位置追蹤控制之比較實驗 68 6.3.5 使用觀測位置與速度之PD定位控制實驗 74 6.3.6 使用觀測位置與速度之PD位置追蹤控制實驗 77 第七章 結論 81 參考文獻 83 附錄A (Inverse-Time Method,ITM)速度估測 85 附錄B PAIDO參數Wpd與Wdis調整實驗 87 附錄C 加速度觀測器之參數極點調整實驗 142 附錄D 加速度觀測器之參數Wc調整實驗 147

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    [15] http://www.mouser.tw/Search/Refine.aspx?Keyword=ADXL325

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