三軸XYZ平台系統晶片整合功能

圖2 三軸XYZ平台伺服控制器系統整合晶片之內部結構
　

系統細部說明

圖3 馬達d-q軸模式

依照圖3 可以將d-q軸電壓整理成下式

再經由上式整理得

由直軸磁通與交軸電流產生的馬達轉矩，其得知

加入負載後所得的機械動態方程式為

結合以上三式再加上各軸電流控制器，我們可以獲得永磁同步馬達交耦時之控制方塊圖(圖4)。

圖4 永磁同步馬達交耦時之控制方塊圖

 其中將d軸電流控制至0，而馬達轉矩即轉速將僅由q軸電流控制，因此我們將控制方塊圖簡化成如圖5所示。
　

圖5 控制方塊簡化圖

利用上述永磁同步馬達控制原理，以閉迴路控制法配合永磁同步馬達編碼器回授訊號設計此馬達伺服控制器，使位置控制精確度增加。我們並以上述單軸位置控制為基礎，將系統擴充為三軸伺服運動控制器，如圖6 所示。
　

圖6 三軸伺服控制方塊圖

B. 點對點多軸軌跡規劃設計:

多軸位置軌跡規劃，本文採用點對點軌跡設計。點對點軌跡卽是不在意中間的軌跡而只在乎起點與終點的到達。除外，設計上也考慮具有同時啟動與同時到達、及啟動與到達時具有加減速之功能。點對點多軸軌跡設計方塊圖之輸入為各軸之旋轉角度(Δθ₁，Δθ₂，Δθ₃)，各軸最大角速度(W₁，W₂，W₃)，加/減速時間T_acc及取樣時間t_d，而輸出為各軸之位置命令θ^o_r 。設計步驟如下：

主要參考利用ALTERA公司生產之產品- Altera StratixII EP2S60F672C5ES，建構三軸XYZ平台伺服運動控制晶片。此晶片包含三軸 (XYZ)位置迴路控制電路其中包含有三軸空間向量脈波寬度調變(SVPWM)電路、方波編碼脈波(QEP)估測電路、電流估測電路等。因此，此晶片可同時接收三軸馬達之位置(光編碼器)信號並與命令位置比較，經由晶片內NiosII CPU與PLD兩部份之計算後送出各軸PWM信號以驅動功率晶體來精確控制三軸馬達移動至目標位置。整體而言，FPGA晶片之使用，不僅可使控制器小型化，而且可提三軸XYZ平台伺服控制之性能及降低成本。

藉由我們以Visual Basic語言在PC上發展三軸XYZ平台之人機監控運動軟體經由遠端PC上下達三度空間的座標指令，經由網路傳輸的設定到遠端伺服控制機構，經由 NiosII CPU 中所定義的軌跡運算後我們可以得到空間中的某一點到另一點，每ㄧ軸所需要轉動多少角度以及馬達所需要轉動的位置命令，經由位置和命令的軌跡規劃後再由PI控制器的位置伺服控制運算後算出所應輸出的脈波寬度調變(PWM)命令給脈波寬度調變硬體電路做運算以驅動馬達驅動電路板(DRIVER)，再藉由方波編碼脈波處理器(QEP)硬體電路的運算我們可以將馬達控制到所需要的位置，此時我們再將感測到的每ㄧ軸位置傳回CPU中，再經由NiosII CPU轉成三度空間中座標，再由網路傳輸將其傳回遠端電腦人機介面，讓使用可以藉由遠端人機介面觀測是否達到所需的位置。

該功能的實現方法
(A)硬體方面
建構三組電源版，三組馬達驅動電路板，三組ADC轉換電路其中包含三軸馬達驅動板與FPGA晶片之連接介面及電源轉換電路。以上硬體設備為本實驗室所開發，由本次參賽隊員共同參與製作。

(B)軟體方面
首先我們需要撰寫一個可以透過網路傳輸與接收的PC端人機介面，再利用Altera公司所生產之StratixII EP2S60F672C5ES設計一個核心具有網路傳輸功能的CPU和伺服控制所需要周邊硬體線路，用來組成一顆完整的伺服模控制晶片，在伺服模控制晶片硬體電路方面我們需要設計撰寫三組空間向量脈波寬度調變產生電路(SVPWM)來產生驅動交流馬達驅動電路板之訊號、三組QEP處理器電路來量測馬達的位置。在伺服控制晶片CPU軟體計算方面分為2種，第一是設定網路的傳送接收機制，第二依照實現中所使用的三軸XYZ平台所需要的運動控制方程式，依公式撰寫所需要的動作響應，再藉由解空間向量後將空間座摽由網路傳回PC，藉以觀察是否達成要求。

本實驗在NiosII處理器裡面的控制中斷頻率設置為1KHz，此為控制器裡最基本以及重要的工作頻率，以下是使用NiosII CPU經大量複雜數學運算後，所量測到的中斷時間，由下圖可知NiosII CPU在經過大量複雜的加減乘除數學運算後，仍可精準達到實驗所要求的1KHz中斷頻率，以致控制頻率不會亂掉。 (1:表示進入中斷 0:表示離開中斷)

(A) 下圖為經NiosII CPU計算所得之點對點梯形變速軌跡規劃，藍色線代表命令，綠色線代表回授訊號，其工作頻率透過中斷頻率除頻後得100Hz; 1:加速段、2:等速段、3:減速段。

圖A 梯形軌跡規劃位置命令及回授

圖B 梯形軌跡規劃速度及回授

(B) 下圖為經計算所得之半徑5cm圓軌跡規劃位置命令，其工作頻率透過中斷頻率除頻後得50Hz。

圖A 圓形軌跡規劃位置命令

圖B 圓形軌跡規劃位置命令之sin波形(命令與回授)

圖C 圓形軌跡規劃位置命令之sin波形(位置誤差)

我們可以經由上面所得到的響應判別，在梯形軌跡規劃的速度響應上，是相當不錯的，而圓形軌跡規劃的位置響應亦可由sin波形位置誤差看出，馬達的位置控制效能也屬優良。

(C) 下圖為使用CPU內模組依點對點軌跡規劃計算出整體所需軌跡，並透過CPU內建構之PI Controller、速度及位置估測模組，利用XYZ Table所繪出之ALTERA公司標誌，其工作頻率計由100Hz、50Hz、25Hz所合成。

(D) 以下為NiosII CPU所計算之3D圓形軌跡位置命令，其工作頻率設為50Hzm。
　

(E) Nios處理器在本實驗過程中，是為相當重要的角色，在程式設計過程中Nios處理器提供了強大的Debug能力，這是作為IC設計所不可欠缺的一項重要功能，Nios處理器在本實驗中主要是作為控制器的設計，我們利用了Nios處理器設計了控制器所需的多組PI控制器、速度與位置估測模組、3D圓形軌跡規劃、點對點軌跡規劃、梯形變速軌跡規劃以及設計一組中斷程式1KHz，並依此中斷頻率做除頻，而得到各種不同所需之工作頻率。

以SOPC為基礎之三軸XYZ平台伺服控制系統如圖1所示，而其已建構完成之實驗系統如圖7、圖8、圖9所示。此系統主要組成如下：

1. 三軸XYZ平台：有三個運動軸，各軸由永磁式交流同步伺服馬達帶動滾珠導螺桿作線性運 動，如圖7。
2. FPGA發展板：乃系統核心，將參考採用ALTERA公司生產之產品- Altera StratixII EP2S60F672C5ES，以發展三軸XYZ平台控制晶片。
3. 三組交流馬達換流器：可接收控制晶片輸出之PWM信號，轉換成不同大小之電壓以控制交 流馬達運轉。
4. 個人電腦：發展人機介面監控軟體。
　

圖7 三軸XYZ伺服平台

圖8 以SOPC為基礎之三軸XYZ平台伺服控制之實驗系統

控制晶片硬體設計方塊圖
圖2中三軸XYZ平台伺服器系統整合晶片之內部電路，如圖9所示。圖9包括兩個模組，模組1在NiosII處理器內以軟體程式實現，其功能包含控制晶片與個人電腦(PC)間之通訊程式、三軸XYZ平台運動之程序控制、運動軌跡計算；模組2在FPGA晶片內以硬體方式實現，其功能主要執行三軸XYZ平台之三軸伺服控制器。模組2詳細之電路圖如圖9所示，主要包括六組PI控制器法則計算、三組光學編碼器信號(QEP)偵測電路、三組電流估測電路及三組空間向量脈波寬度調變(SVPWM)信號輸出等，其各自之電路圖如圖11~圖13所示。

圖9 三軸XYZ平台系統整合晶片內部硬體電路

圖10 三軸XYZ平台系統整合晶片內部第2模組-三軸位置伺服控制電路

(A) 比例積分(PI)控制器

圖11 PI控制器電路方塊圖

(B) 方波編碼脈波(QEP)處理電路

圖12 QEP估測電路方塊圖

(C) 空間向量脈波寬度調變(SVPWM)電路

圖13 SVPWM產生電路方塊圖

控制晶片軟體設計流程

圖14 NiosII 三軸伺服應用控制流程圖
　

設計法則

本作品係透過複雜的演算法來建構一個三軸交流永磁同步馬達伺服控制系統，作為一個具三度空間之運動控制，而在運動控制中我們利用NiosII CPU轉換三度空間之座標，並透過網路機制達到遠端控制及監控功能，同時在設計過程中，我們也利用Nios強大的功能，得以快速修改系統運算參數及驗證其正確性，使其設計時間大幅降低。