機電整合控制：多軸運動設計與應用(第二版)

　　此書之目的即在提供機電整合及機器人系統之運動控制的基本工作原理、理論分析、設計與應用實例及實驗結果等資料。由於資訊化功能、網路通訊功能、以及人機介面圖像化等需求愈來愈殷切，使得網際網路的持續發展必將在自動化產業上扮演更重要的角色。機構組件網路化的機電系統整合更是一個值得關注的發展潮流。應用網際網路的技術，將可提昇產品的附加價值與提高產品的競爭優勢。另外值得一提的是電腦視覺與影像處理技術的持續發展勢必在未來自動化產品上扮演更智慧、更重要的角色。整合高速電腦視覺處理的機電整合及機器人系統更是一值得關注的發展潮流。本書共十四章依各章之性質將全書分為三篇：基本原理篇、機械臂原理篇及運動控制應用實例篇。第一部份基本原理篇中共包含有五章，它可作為多軸運動控制的入門知識。第二部份為多軸機械臂運動控制的基礎理論介紹。最後第三部份應用實例篇共有六章，分別介紹六個運動控制系統的完整實例。為了全書內容的完整性，於本書附錄中詳細介紹運動控制系統常用之機電介面。

第一部份　運動控制基本原理

第1章　多軸運動控制器的基本原理
1.1　簡　介1-1
1.2　運動路徑產生器1-3
1.3　梯形速度曲線規劃1-6
1.4　路徑插值1-8
1.5　位置脈波產生器1-9
1.6　位置控制器1-11
1.7　程式流程圖1-12
1.8　結論與討論1-13

第2章　認識梯形與S形速度曲線
2.1　梯形速度曲線2-1
2.2　最短運動時間的梯形速度曲線2-4
2.3　固定抵達時間的梯形速度曲線2-5
2.4　S形速度曲線2-9
2.5　梯形與S形速度曲線與連續運動曲線2-12
2.6　PVT運動指令格式2-16
2.7　梯形與S形速度曲線的程式撰寫技巧2-18

第3章　伺服控制系統分析與設計
3.1　簡　介3-1
3.2　直流伺服馬達控制系統之線性模式3-2
3.3　穩定性與相對穩定3-6
3.4　控制系統的性能與規格3-9
3.5　穩態誤差分析3-11
3.6　控制系統的靈敏度分析3-13
3.7　控制系統的外部干擾分析3-14
3.8　控制系統的分析步驟3-16
3.9　常用的控制器型式3-21
3.10　控制系統設計3-26
3.11　控制器數位化與實現3-32
3.12　數位控制器的取樣時間3-36
3.13　轉換數位控制器為控制程式3-36
3.14　其他常見機電系統元件的簡化線性模式3-40

第4章　被動電子元件應用實物
4.1　簡　介4-2
4.2　電阻4-3
4.3　電容4-5
4.4　電感4-7
4.5　RC與RL電路應用4-10
4.5.1　電阻與電容4-10
4.5.2　電阻與電感4-13
4.6　二極體的實務概說4-15
4.6.1　二極體的特性4-15
4.6.2　二極體的種類4-17
4.6.3　二極體的應用4-18

第5章　運算放大器原理與應用
5.1　類比/數位技術的演進5-2
5.1.1　類比技術的需求5-2
5.1.2　類比訊號的處理5-4
5.1.3　類比訊號數位化5-5
5.1.4　數位放大器5-6
5.2　運算放大器基本特性與原理5-7
5.3　基本運算放大器電路設計5-12
5.3.1　非反相放大器5-12
5.3.2　反相放大器5-13
5.3.3　累加或混音放大器5-14
5.3.4　減法放大器5-15
5.3.5　定電流源5-17
5.3.6　比較器5-17
5.3.7　史密特觸發電路5-19
5.3.8　振盪器5-22
5.4　濾波器設計5-26
5.4.1　低通濾波器5-27
5.4.2　高通濾波器5-30
5.4.3　帶通濾波器5-32
5.4.4　巴特豪斯低通濾波器5-35
5.5　運算放大器的其他應用5-37
5.5.1　相位差檢測器5-37
5.5.2　電壓控制振盪器5-38
5.5.3　相鎖迴路原理及應用5-39
5.5.4　數位訊號轉換成類比訊號5-40
5.5.5　類比訊號轉換成數位訊號5-41
5.6　直流伺服馬達驅動控制器設計範例5-42
5.6.1　比例控制器5-43
5.6.2　比例-積分控制器5-44
5.6.3　比例-微分控制器5-44
5.6.4　比例-積分-微分控制器5-45
5.6.5　減法器5-46
5.6.6　直流馬達電流控制器設計5-47
5.6.7　速度控制器與位置控制器設計5-48

第二部份　機器人運動控制基礎

第6章　機器人簡介
6.1　機器人簡介6-1
6.2　機器人系統的組成6-4
6.3　機械臂簡介6-7

第7章　座標系統與齊次矩陣
7.1　直角座標系統與平移及旋轉7-1
7.2　連續旋轉矩陣7-4
7.3　齊次轉換7-10
7.4　相機座標系統7-16

第8章　機械臂直接運動學

8.1　自定座標齊次轉換法8-2
8.2　DH參數齊次轉換法8-7

第9章　機械臂反運動學

第10章　機械臂微分運動學
10.1　基本概念10-1
10.2　計算幾何Jacobian矩陣10-4
10.2.1　計算幾何Jacobian矩陣10-4
10.2.2　Jacobian矩陣計算範例10-7
10.3　相機Jacobian矩陣10-15

第11章　機械臂動力學
11.1　Lagrange法 11-2
11.2　牛頓尤拉法11-4
11.3　計算機械臂動力方程式範例11-8

第12章　機械臂控制
12.1　機械臂動態數學模型12-1
12.2　機械臂PD控制器12-7
12.3　機械臂可變結構滑動模式PID控制12-10

第13章　輪行移動機器人運動控制
13.1　簡　介13-1
13.2　雙輪獨立驅動移動機器人13-3
13.3　三輪車式移動機器人13-6
13.4　全方位式三輪移動機器人13-7
13.5　移動機器人運動控制問題例13-9

第三部份　機電整合運動控制應用

第14章　數位控制器實現
14.1　Quartus II整合開發環境14-1
14.1.1　介面模組設計14-1
14.1.2　HDL程式設計14-3
14.1.3　FPGA開發環境14-4
14.2　Nios II-Based 嵌入式系統晶片規劃與設計14-7
14.2.1　系統晶片14-8
14.2.2　系統晶片核心14-9
14.2.3　系統晶片週邊14-10
14.2.4　系統晶片軟體14-10
14.2.5　硬體抽象化設計14-11
14.2.6　系統晶片匯流排14-13
14.2.7　系統晶片建構14-16
14.3　Nios II-Based 嵌入式系統晶片規劃與設計14-17
14.3.1　實例演練14-18
14.4　FPGA-Based 泛用型嵌入式運動控制模組設計14-38
14.4.1　運動控制晶片架構設計14-39
14.4.2　運動制控制晶片模組功能分析14-41
14.4.3　控制模組實現14-46
14.4.4　控制模組模擬14-47
14.4.5　晶片整合測試14-51
14.5　多軸控制器規劃與設計14-55
14.5.1　運動控制器組成要件14-56
14.5.2　運動曲線脈波產生器14-58
14.5.3　微控制與曲線晶片的介面設計14-59
14.5.4　脈波用介面電路設計範例14-66
14.5.5　軟體設計方法14-69
14.5.6　開發步驟14-70
14.5.7　使用伺服馬達線性驅動器的場合14-70

第15章　雙軸數位運動控制器設計
15.1　簡介15-1
15.2　硬體說明15-2
15.3　軟體製作說明15-5
15.4　運動控制原理15-9
15.4.1　運動控制指令15-9
15.4.2　點到點S曲線移動模式15-9
15.4.3　連續線性補間移動模式15-14
15.4.4　連續三階平滑補間移動模式15-15
15.4.5　PVT位置 / 速度 / 時間移動模式15-17
15.4.6　圓弧補間運動模式15-18
15.4.7　細部插值15-19
15.4.8　伺服控制15-20
15.5　實驗結果15-21
15.6　結　論15-26

第16章　脈衝型數位運動控制器設計與製作
16.1　簡　介16-1
16.2　PCI標的控制器16-3
16.2.1　以CPLD元件實現PCI介面控制器16-4
16.2.2　PCI標的控制器測試結果16-5
16.3　運動控制器硬體16-7
16.3.1　位置解碼器16-8
16.3.2　脈波產生器16-9
16.4　多軸運動控制器軟體設計16-10
16.4.1　軟體程式架構16-10
16.4.2　PC與DSP介面16-12
16.5　運動控制器實證16-12
16.5.1　直線插值實驗16-13
16.5.2　圓弧插值實驗16-13
16.5.3　連續曲線實驗16-14
16.6　結　論16-17

第17章　步進馬達之驅動與運動軌跡設計
17.1　簡　介17-1
17.2　步進馬達控制器方塊圖17-2
17.3　軌跡規劃17-3
17.4　DDA產生器17-5
17.5　A/B相位脈波產生器17-7
17.6　A/B脈波製作2相激磁法17-9
17.7　微步進控制原理17-10
17.8　微步進控制器設計例17-12
17.9　結　論17-14

第18章　遙控小馬達之位置控制器設計實例
18.1　簡　介18-1
18.2　位置命令信號讀取18-3
18.3　馬達位置回授信號的讀取18-7
18.4　直流馬達驅動電路18-10
18.5　PID位置控制器18-12
18.6　結　論18-16

第19章　工業控制器軟體設計技術
19.1　簡　介19-1
19.2　工業控制器各層軟體介紹19-2
19.3　各層軟體內部細節介紹19-4
19.4　位置控制器19-8
19.5　軌跡規劃演算法19-10
19.6　工具機工作指令集19-19
19.7　刀具補正19-20
19.8　遠程監控與資料分析19-21
19.9　其它相關技術19-22

第20章　運動控制於12吋晶圓載入機之應用
20.1　簡　介20-1
20.2　晶圓載入機之功能20-3
20.3　動作流程20-5
20.4　伺服馬達控制20-5
20.5　步進馬達控制20-7
20.6　直流馬達控制20-9
20.7　教導盒規劃20-9
20.8　電控系統架構圖20-12
20.9　程式架構圖20-12
20.10　研究成果20-14

第21章　力回授控制於鑽骨系統之應用
21.1　簡　介21-1
21.2　鑽骨系統之建立21-2
21.2.1　鑽骨系統架構21-3
21.2.2　機械參數分析21-5
21.2.3　步進馬達控制21-8
21.2.4　鑽頭直流馬達電流控制器設計21-10
21.2.5　鑽骨系統之力回授控制21-11
21.2.6　鑽透判別法則21-12
21.2.7　實驗結果21-13
21.2.8　結　論21-16
21.3　三軸機械於鑽骨系統之應用21-17
21.3.1　三軸機械臂系統規劃21-19
21.3.2　三軸機械臂鑽孔系統軟體技術21-22
21.3.3　軌跡控制器設計21-23
21.3.4　三軸機械臂軌跡追蹤實驗21-28
21.3.5　結論21-32

第22章　機器人之發展與實例
22.1　機器人的發展與背景22-2
22.1.1　國內的相關研究與國家政策22-3
22.1.2　智慧型機器人所需的技術22-5
22.2　影像測距模組於二足步行機器人之實現與應用22-7
22.2.1　NIOS2發展板Stratix Edition22-8
22.2.2　系統硬體架構22-10
22.2.3　建立NIOS2處理器22-11
22.2.4　CMOS影像感測器22-14
22.2.5　鎖相迴路模組22-16
22.2.6　濾波器模組22-17
22.2.7　CMOS影像擷取模組22-18
22.2.8　影像處理流22-19
22.2.9　影像灰階化22-20
22.2.10　中值濾波22-21
22.2.11　影像二值化22-21
22.2.12　膨脹與收縮22-22
22.2.13　影像標籤化22-22
22.2.14　取得球與標籤物之下邊緣參數22-23
22.2.15　距離-像素曲線繪製與分析22-23
22.2.16　實現具備克服鏡頭角度誤差之影響的影像測距22-27
22.2.17　影像測距實驗結果22-30
22.2.18　影像處理及測距實驗結果22-31
22.3　泛用型輪型機器人發展平台 - UBot22-35
22.3.1　機器人的發展22-36
22.3.2　UBot平台架構22-37
22.3.3　UBot之通訊協定22-40
22.3.4　VC.Net下的範例程式22-42

附 錄

附錄一　機電整合系統常見的機電介面附-1
A.1　溫度感測器(Thermometers)附-3
A.2　壓力感測器(Pressure Sensor)附-5
A.3　重量感測器(Load Cell)附-5
A.4　應變計(Strain Gage)附-6
A.5　電流感測器(Current Sensor)附-9
A.6　光感測器(Photo Sensor)附-9
A.7　編碼器(Encoder)附-11
A.8　光耦合器(Optocoupler)附-12
A.9　極限開關(Limiting Switch)附-13
A.10　磁簧開關(Reed Switch)附-15

附錄二　希臘字母附-16