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指導老師 : 龔應時 學號 :MA220102 學生 : 陳裕仁

已 FPGA 實現運動控制 系統電動 站立輪椅 Ying- Shieh Kung,Ping -Hang Huang,Fong -Chin Su and Tain -Song Chen 2011 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA), September 25-28, 2011, Page:47 - 52. 指導老師 : 龔應時 學號 :MA220102 學生 : 陳裕仁. 研究方向. 主要研究方向為馬達的速度控制與位置控制結合 RS232 應用於輪椅或機械手臂等載具上。.

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指導老師 : 龔應時 學號 :MA220102 學生 : 陳裕仁

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Presentation Transcript

  1. 已FPGA 實現運動控制系統電動站立輪椅Ying-ShiehKung,Ping-Hang Huang,Fong-Chin Su and Tain-Song Chen 2011 IEEE Symposium onIndustrial Electronics and Applications (ISIEA), September 25-28, 2011, Page:47 - 52 指導老師:龔應時 學號:MA220102 學生:陳裕仁

  2. 研究方向 • 主要研究方向為馬達的速度控制與位置控制結合RS232應用於輪椅或機械手臂等載具上。

  3. 摘要 • 本作品在電動輪椅上再增加站立架的系統，行與站立架使患者不只可以四處移動(橫向移動)，還可以進行縱向活動，使活動範圍大大增加，患者可以像是在站立中行走，還可以幫助需要復健的患者進行復健，讓輪椅更加多樣化。

  4. 系統架構 • 本系統中包括了可以讓使用者身體站立之線性制動器、操作控制面板，以及兩顆直流輪圈馬達；而驅動系統包括1組線性導螺桿直流馬達用驅動器、2組輪圈馬達用驅動器、一組搖桿操作控制面板的介面電路及一顆FPGA-based控制晶片。

  5. 系統架構圖

  6. 站立式電動輪椅與站立機構 • 站立式電動輪椅移動的部份由兩顆DC輪圈馬達當作致動器，而站立機構由一組線性馬達機構及一組四連桿機構所組成。 • 為提高速度控制之準確性，輪圈馬達也連結一顆光編碼器，其解析度為1024PPR。

  7. 站立機構作動示意圖 The motion of ESW at the (a)Start (b)Lift (c)Stand (d) Movingforward (e)Fall (f)Sit condition

  8. 直流輪圈馬達 • 而兩輪所用為直流輪圈馬達，其結構與傳統馬達結構做比較可發現到極為不同，傳統上使用在電動輪椅上之驅動系統，所使用的左右輪的直流馬達外，還加上一個變速箱來增加扭力，而直流輪圈馬達則是將馬達、行星減速齒輪與電磁煞車都設計於輪子內，使其可大幅減少體積與重量。 • 除此之外，因為輪胎與馬達在同一平面，延伸的軸心與輪子做連結，當在運轉時時會使輪軸必須承受剪力，進而影響電動輪椅的壽命，所以在站立式電動輪椅中則採用直流輪圈馬達。

  9. Altera FPGA晶片 • FPGA晶片乃系統核心，作為發展站立式電動輪椅運動控制晶片；其中運動軌跡計算及面板操控訊號之處理在NiosII內以軟體實現，而直流伺服馬達及直流輪圈馬達之伺服控制器之計算及操作面板介面將以數位硬體實現。 • 運動控制晶片內部電路在硬體方面包含了三組脈波寬度調變(PWM)產生電路、兩組光學編碼器(QEP)、RS-232訊號傳輸通訊電路、模糊控制器、加減速度緩衝電路以及除頻器。而在軟體方面則是使用NiosII多核心處理器來處理搖桿對於兩輪直流輪圈馬達的差速運動軌跡計算，與線性制動器的升降速度控制之設定。

  10. FPGA內部結構電路圖

  11. 脈波寬度調變信號 • 本文中主要是透過(PWM Pulse Width Modulation)信號，來控制站立式電動輪椅站立架中的三顆直流馬達脈波寬度調變(PWM)信號，並利用於功率晶體(IPM)工作時導通和截止之開關區，經由導通時間之長短使電源輸出功率改變，進而驅使三顆直流馬達。 PS21276-AP

  12. 脈波寬度調變之介紹 • 脈衝寬度調變(PWM Pulse Width Modulation)信號產生的原理是以一固定週期之三角波或鋸齒波，與另一輸入之參考電壓做比較，當三角波大於或低於參考電壓之電壓時，可使功率晶體導通或截止，再利用此工作週期(Duty-Cycle)的變化供給負載，改變平均電壓。 平均電壓公式 PWM產生器方塊圖

  13. PWM波型種類 • 可分為前緣對齊型、中間對齊型、後緣對齊型。透過固定週期之三角波與鋸齒波與工作電壓做比較，進而產生三種形式之脈波寬度調變輸出波形分別有前緣與後緣對齊型以鋸齒波產生，而中間對齊型是由三角波產生。其中鋸齒波又可分為遞增型與遞減型，遞增型可以用在前緣對齊型脈波寬度調變訊號，反之遞減型便是用在後緣對齊型脈波寬度調變訊號 10% 10% 10% 30% 30% 30% 50% 50% 50% 中間對齊型 後緣對齊型 前緣對齊型 前緣對齊型 中間對齊型 後緣對齊型

  14. 脈波寬度調變信號有對稱式與非對稱式兩種，本文採用對稱式脈波寬度調變波形，可降低諧波的產生。並經由PWM的脈波寬度的工作率(Duty-Cycle) 提供給馬達線圈、不同大小的相電流與頻率的相電壓，來控制馬達的轉速與轉矩。 • 所以當控制訊號PWM1和PWM3 開啟的時間比PWM2和PWM4開啟的時間還要長時，若輸出平均電壓為正，馬達則呈現正轉。 • 反之當PWM1和PWM3開啟的時間比PWM2和PWM4短時，若輸出平均電壓為負，馬達則呈現反轉。 • 而當PWM1和PWM3 開啟的時間與PWM2和PWM4開啟的時間相同時，其輸出平均電壓為零，馬達為停止狀態。 FPGA控制直流伺服馬達H型驅動架構圖

  15. 光編碼器 • 光學編碼器(Photo-Encoder) ，是利用光電量測的非接觸式的數位量測元件，光學式軸編碼器主要構成為一個可旋轉圓盤，其圓盤邊緣有許多小孔等距離排列，其透光部份和不透光部份呈50%對50%的比例。在圓盤的一放置光源，另一側放置光感測器，當圓盤旋轉時，透過其中的小孔斷斷續續的讓光電晶體動作，產生on-off的脈波。經由偵測脈波的頻率可知其轉速，而偵測脈波的個數，即可計算出旋轉的角度或位移長度。光學式軸編碼器，又可分為增量式和絕對式編碼器兩種型式，兩者主要的差別在於輸出信號不同，增量式輸出為A、B相之方波；絕對式輸出為特定之數位碼，在編碼器解析度範圍內之任一角度，均有唯一之碼對應。 光編碼器訊號圖 光編碼器基本結構圖

  16. 光編碼器 • 文中所安裝之光學編碼器(Rotary Optical Encoder)屬於增量式，為NEMICON公司生產的OEW系列產品，其解析度為1024PPR，透過FPGA上所設計的倍頻電路後其解析可達到4096PPR，讓直流輪圈馬達轉動時將帶動皮帶到編碼器旋轉。 1024PPR +5V

  17. 光編碼器 • 為了增加讀取光學編碼器之脈波數，直流輪圈馬達上的齒輪與光學編碼器上之齒輪比為1：5，因為在本文中站立式電動輪椅採用的是閉迴路控制因此需要額外增加此系統來抓取馬達的轉速與位置資料以提供實驗結果。 Encer Encoder Rim Motor Rim Mor Gear ratio=1:5 • Timing belt 直流輪圈馬達與光學編碼器示意圖 直流輪圈馬達與編碼器示意圖

  18. 實驗結果 • 為了證實站立式電動輪椅之性能，首先進行運動軌跡追蹤測試。當使用者操作搖桿系統以產生車體運動軌跡命令時，站立式電動輪椅在無載及承載60Kg人員下之運動追蹤響應性能如下圖所示。 • 雖然在承載60Kg人員下之運動追蹤與無載狀況比較下，有較大之誤差，不過仍然能滿足追蹤響應性能。 Motion tracking performance of ESW under no load Motion tracking performance of ESW under user weight with 60Kg

  19. 參考文獻 • [1]楊智淵,“電動輪椅運動控制晶片之研製”南台科技大學電機工程研究碩士論文,2010.

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