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當期雜誌

作者:龔應時、吳敏光、鍾子涵、李欣泓、陳文泉運動學/反運動學控制硬體IP設計開發

過去很長的一段時間裡，精度、速度、剛性等硬體性能向來是工具機產業追求的重要技術指標，但是隨著工具機產業不斷進步，工具機本身的性能提升已經接近瓶頸，工具機產業競爭的重點已經不再是單純的硬體規格，而是如何以工具機為載具，提供製造技術服務與加值軟體系統協助客戶增加生產效率。

本文將彙整2013年漢諾威工具機展中與加值軟體相關的參展情報，並簡要說明工研院機械所目前在加值軟體方面的開發現況與未來發展規劃。

作者:龔應時、楊迪、林易德無感測器永磁同步馬達速度控制器之設計與模擬

本文主要設計無感測器永磁同步馬達速度控制器之數位硬體智財（IP），並以模擬驗證之。首先，在無感測技術方面，乃利用擴展式卡爾曼濾波器（extended Kalman filter）直接估測馬達之磁極角度與轉子速度以回授給電流迴路之向量控制與速度迴路之速度控制使用。為了提高速度控制之性能，在速度迴路方面，採用模糊控制器。接著，上述所提無位置感測器永磁同步馬達之磁極角度與速度估測器，模糊控制器等，將以VHDL （very high speed IC hardware description language）語言來描述其電路行為，並以有現狀態機器來設計以減少數位硬體資源。最後，將結合ModelSim及SimuLink之環境來共同模擬本文所提之數位硬體IP，以證實其正確性與有效性。

作者:龔應時、林進木、陳裕仁、周信宏以FPGA為基礎多軸伺服及運動控制器研製

本文旨在將多軸伺服控制器及運動軌跡規劃整合在一顆FPGA晶片內實現。首先，以Altera FPGA晶片及內含一顆Nios嵌入式軟核心處理器為基礎建構之系統整合晶片（SoPC）來發展多軸伺服控制及運動軌跡技術。此系統整合晶片內主要包括兩個模組，第一個模組在Nios II處理器內以軟體程式實現並以C語言撰寫程式，其功能為多軸平台運動軌跡之計算。第二個模組在FPGA晶片內以數位硬體方式實現並以VHDL描述其電路，其功能主要為多軸馬達之位置/速度/電流迴路控制器實現，也就是多顆永磁同步馬達之電流向量控制器、空間向量脈波寬度調變產生、速度P控制器與位置模糊控制器等，全部由硬體數位電路實現。由於FPGA的快速計算、並行處理、軟硬體共同設計等優點，將能提升多軸控制器之運動性能。最後，為了驗證所提多軸伺服及運動控制IP （智材）之可行性及正確性，將以三軸伺服控制之XYZ平台為實驗載具，並以實驗結果來證實之。

作者:周信宏、龔應時多軸伺服驅動器設計

多軸機械手臂為目前伺服控制系統較為熱門的發展目標與趨勢，因此本文主要介紹多軸伺服驅動器設計，並利用一顆晶片整合。本架構主要以Altera FPGA晶片為基礎建構之系統整合晶片(SoPC)來發展多軸伺服驅動技術，此系統整合晶片以數位硬體方式實現並以Verilog描述其電路，其功能主要為多軸馬達之位置/速度/電流迴路控制器實現，也就是多顆永磁同步馬達之電流向量控制器、空間向量脈波寬度調變產生、速度PI控制器與位置P控制器等，全部由硬體數位電路實現。由於FPGA的快速計算、並行處理、軟硬體共同設計等優點，將能提升多軸控制器之運動性能。最後，為了驗證多軸伺服驅動器之有效性，利用市售的六軸關節型機械手臂作為本文的驗證載體，驗證本多軸伺服驅動器之正確性。

作者:周信宏、龔應時FPGA-Based多軸伺服驅動設計

本文主要發展以FPGA為基礎之多軸伺服驅動系統。首先，將推導多軸伺服系統之數學模式及其控制器設計。其次，以Altera公司發展具有可嵌入一顆軟核心Nios II處理器之FPGA晶片來開發多軸伺服控制晶片。此晶片內含有兩個模組。第一個模組為Nios II處理器，以軟體方式來發展點對點運動軌跡規劃，而第二個模組，以數位硬體方式來實現多軸位置/速度/電流控制器。後者採用兩種設計方法。一種方法為各軸獨立設計，另一種方法為多軸共同模組設計。後者將多軸的電流控制器與座標轉換電路及多軸的位置/速度控制器電路，各自以一個共同模組實現，以達到節省硬體資源的目的。接著，VHDL將用來描述多軸伺服控制器的行為。最後，為了驗證多軸伺服驅動器之有效性，利用六軸關節型機械手臂及晶圓移載用機械手臂作為驗證載體，證實多軸伺服驅動器之正確性。