實驗平台設計

(

) (





  、

a f

n m M R

g K

) ( 

 、

) (m M

l F^f



  控制力 u 為 Va。

圖 2. 11 音圈馬達動態模型圖

2.3 實驗平台設計

本論文硬體架構圖如圖 2. 12 所示，以 TI 所生產的 DSP(F28377D)為主要控 制核心，透過 DSP 的 DAQ card，把所計算好的訊號傳至驅動器(ELMO CEL-5/60)，

驅動器主要的功用是可以把輸入的電流訊號轉成牛頓(N)的推力，傳統的線型馬 達的驅動器會把複雜的三相電流控制方法在內部計算完，因此只需要輸入簡單的 電流命令就能讓馬達推動，而音圈馬達所使用的驅動器的原理也是一樣的，但是 音圈馬達的不是通過三相電流而是單相電流，之後藉由裝設在音圈馬達上的編碼 器(encoder)，所讀取到的位置命令傳回至驅動器，驅動器會把位置轉成 A、B、Z 三種訊號，給至 DSP 的 DAQ card 以達到閉迴路控制，除此之外 DSP 的 DAQ card 還把目前的各個資訊藉由 DAC 傳至示波器上，整個實驗的結果能從示波器上觀 察到如圖 2. 13。

a VCM

v

a aR dt i

L_a di^a

x K e_m  _a

 I





  





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圖 2. 12 音圈馬達實驗架構圖

圖 2. 13 音圈馬達之實驗設置

Digital oscilloscope GDS-2074E Motor driver ELMO CELL 5/60

Microcontroller Dsp TMS320F28377

DAQ data acquisition card

Voice coil actuators MGV41

Personal computer

Analog signal (Control signal) Encoder signal

(A、B、Z signal )

Analog signal

JTAG emulator XDS100 ISO

Encoder signal

示波器 馬達驅動器

音圈馬達

DSP數位訊號處理器

電源供應器

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A. 馬達驅動器

圖 2. 14 驅動器 Elmo CEL-5/60[29]

Elmo 成立於 1988 年位於以色列，長期以來以發展高精密運動控制產品為主，

包括運動控制器、有刷與無刷馬達驅動器，與高效率伺服放大器。本篇論文使用 Elmo Cello 系列驅動器如圖 2. 14，Elmo Cello 驅動器有分為三種模式電流模式、

速度模式、位置模式，本篇論文主要是以電流模式為主，Cello 驅動器必須搭配 Elmo composer 軟件使用，Elmo Cello 驅動器可支援獨立操作或是操作在多軸網 路的一部份，Elmo Cello 驅動器工作電壓為 24V 需要外部給予電源供應，圖 2. 15 為 Elmo Cello 驅動器系統方塊圖。

圖 2. 15 Elmo 驅動器系統方塊圖[30]

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B. 光學編碼器

圖 2. 16 Mercury II 1600S 光學編碼器[31]

MicroE Systems Inc.是一間位於美國麻薩諸塞州內蒂克市的公司，主要的產品 為精密光學編碼器，MicroE 的光學編碼器與其他間光學編碼器相比具有高集成、

高精度、高速度、全系列、調整方便、低價格、體積小、重量輕、安裝快速及強 大的軟件管理功能，且 MicroE 的光學編碼器可應用於直線形與圓形光學編碼器。

MicroE 的光學編碼器可可分為三個系列(1) MercuryII 系列;(2) MercuryI 系列;(3) ChipEncoder 系列;，本篇論文採用的是 Mercury II 1600S 系列光學編碼器如圖 2.

16，其功能如下[31]：

 特色：數位量輸出 0.5μm 解析度, 緊湊微小的讀數頭, 粘貼式原點指示, 易 使用的設定工具和軟體

 晶片支援浮點運算功能

 輸出: A-quad-B 原點指示金屬尺 C. 數位訊號處理器

嵌入式數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)，將訊號以數位的方式 表示的技術，在微處理器的領域上DSP常常與微控制器 (Microcontroller Unit, MCU)做比較，DSP採用的是哈佛結構（Harvard architecture），數據空間和儲存空 間是分開的，透過獨立數據線在程序空間和數據空間之間做溝通，而MCU採用的 是馮·紐曼結構Von Neumann model），數據空間和儲存空間是公共用的，通過一組 數據線與CPU溝通，在運算能力方面MCU較不如DSP，但是價格方面卻便宜DSP

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許多，兩個處理器都有自己的優缺點，都有各自適合的地方。

本論文所使用的晶片為TI的TMS320系列，而TMS320的DSP晶片依其功能分 類成三大類: C2000、C5000及C6000。C6000以高效率及高效能為主，C5000以省 電及效率為主，而在控制領域方面主要以C2000系列為主。目前市面上常見的 C2000型號為TMS320F240x及TMS320F28x，TMS320F240x用於工業自動化、電 機控制、馬達控制等；TMS320F28x系列晶片增強了界面能力和嵌入功能，拓寬 了數位訊號處理器的應用領域。

 TMS320F28377D 數位信號處理器(DSP)與執行在 200MHz

 雙 C28x 內核與雙 CLA 內核，提供最多 800 MIPS 的整合效能，無需使用 多個嵌入式處理器。

 採用兩個即時控制加速器或平行加速器 (CLA) 替代主要 CPU (C28x 內核) 執行要求嚴格的控制回路分析，不僅可產生額外的頻寬，還可允許主處理器 重點執行系統診斷或應用管理任務。

 晶片支援浮點運算功能

 204K byte 的 RAM

 1024K byte 的內含 Flash ROM

DAQ 資料擷取卡為馬唯科技所開發的 DSP 擴充版，主要功能為類電壓資料 擷取擴充介面卡如圖 2. 17。包含八組 14-bit 同步化 ADC、八組 14-bit 同步化 DAC 與三組 ENCODER 其功能如下：

 支援德州儀器公司 TMS320F28377D/S 處理器，可達基本八個同步 16 位元 類比-數位轉換及數位-類比轉換通道。

 可使用軟體設定取樣率從 1Hz 至 200kHz(八通道同時)。

 使用標準端子台當成輸入/輸出端子。

 可透過硬體選擇輸入電壓範圍+/-5V 或+/-10V。

 可透過硬體選擇輸出電壓範圍+/-10V。

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 三軸編碼器模組。

(a)

(b)

(c)

圖 2. 17 DSP 模組實體圖：(a) DSP 模組、(b) TMS320F2877xD 浮點 DSP 運算控 制卡、(c) DAQ 資料擷取卡

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