以FPGA为基础晶圆移载用机械臂适应性模糊控制晶片之研制.PPT

* *  以FPGA為基礎晶圓移載用機械臂適應性模糊控制晶片之研製 學生: 陳怡君 學號 : M9920206 日期 : 2012.02.22 製作率：100% 大綱 * 摘要 I. 介紹 II. 系統設計與機械臂分析 2.1 晶圓手臂軸位置運動分析 III. 適應性模糊控制器 3.1 模糊控制器 3.2 參考模型 3.3 參數調整機構 IV. 晶片設計 V. 實驗結果 VI.結論 摘要 本論文主要使用ALTERA公司所生產的FPGA(Field Programmable Gate Arrays)晶片及嵌入一顆NiosII軟核心處理器所建構的SOPC(System On Programmable Chip)環境為基礎來研製適應性模糊控制晶圓移載用機械臂運動控制系統。 此晶圓移載機手臂軸的致動器為Mitsubishi公司生產的永磁同步馬達。整個運動控制晶片之設計主要包括兩個模組。一個為Nios II處理器模組，另一個為位置控制模組。 因此，晶圓移載用機械臂所需之全數位運動控制器，主要全部在一顆FPGA晶片且以硬體方式實現。最後建構一套Nios II的命令系統，來驗證本論文所提適應性模糊控制晶圓移載用機械臂運動控制晶片之有效性及正確性。 I. 介紹 由於 FPGA 具有硬體可程式化、快速時間推到市場上、短的設計週期、嵌入式微處理器、低電力消耗及高密度容量，因此極適合數位系統之實現。 FPGA 提供一種介於特殊 ASIC(application specified integrated circuit)硬體與一般功能處理器之元件。 當採用FPGA晶片及SoPC技術時，晶圓移載機伺服控制系統改設計成以Nios II處理器取代，手臂軸的控制器電路部分則以硬體數位電路來實現，因此晶圓移載機伺服控制晶片系統可以一顆FPGA晶片來達成。  II. 系統設計與機械臂運動分析 本章節主要討論晶圓移載用機械臂手臂軸之機構分析、動作設計及適應性模糊控制的步階狀態響應，並說明如何在一顆FPGA晶片中來實現整個響應系統。 程式共分為兩部份：軟體與硬體。軟體部分主要以NIOS II 撰寫C語言來實現，包含了速度估測、手臂軸位置轉換…等功能。硬體部分主要在FPGA晶片以VHDL撰寫，包含電流迴路、向量控制、SVPWM、絕對式編碼器讀取、適應性模糊控制器…等功能，如下圖1所示。 圖1 以FPGA 為基礎位置迴路使用適應性模糊控制器之機械臂控制系統 2.1 晶圓手臂軸位置運動分析 本論文所使用的機台的機械臂如圖2所示。  II. 系統設計與機械臂運動分析 圖2 晶圓移載機之機械臂  II. 系統設計與機械臂運動分析 以下針對機械臂多連桿運動做分析。中心點位置對於機械臂的第一連桿運動方式為一個繞圓的運動跡，藉由皮帶來帶動第二連桿作等角度反方向運動如圖3所示，其中心正時齒輪與連結於第二臂上的齒輪比為2：1；第二連桿則透過第二條皮帶連結機械臂末梢的叉子，其第一、第二臂上的同軸齒輪與末梢齒輪比為1：2。中心與末梢齒輪比換算相等，使得末梢永遠保持同樣的方向。 圖4為分段解析，旋轉馬達由正時皮帶驅動第一軸的正時齒輪，相對位置關係如下圖5所示。當第一軸做逆時鐘旋轉時，因連桿的設計及皮帶的帶動，第二軸會做順時鐘方向的旋轉：  II. 系統設計與機械臂運動分析 其中： 連桿臂長為 l。 不含末梢叉長度之最大移動距離為 2l。 馬達對減速機齒比為1：10。 減速機輸出對第一臂正時齒輪之齒數比為1：2。 假設中心點目前轉角為 那移動距離 則為： 求出目前位置後，下達命令移動至目標位置上，則必須反推公式求得 ，其推導過程如下： 其中 為轉換後減速機輸出軸之旋轉角度， 為轉換後馬達轉子角度。此機構之形狀尺寸 長度為250mm， 運動範圍為0°~90°， 運動範圍為0~500mm。 圖3 機械臂運動方式 圖4 機械臂分段解析 圖5 機械相對位置關係  III. 適應性模糊控制器 本章將介紹以硬體描述語言(VHDL)實現永磁同步馬達之適應性模糊控制器，一般控制器之演算法相當複雜所以大多以軟體實現，但缺點是需要較高階的晶片來應付大量的運算，相對的成本增加。 本章利用硬體描述語言(VHDL) 配合有限狀態機(FSM)設計，一個步驟以一個乘法器與一個加法器實現，可大量減少邏輯資源的應用。 本章將適應性模糊控速度控制器分成三個部份設計，模糊控制器(Fuzzy controller)、參考模型(reference model)、參數調整機構(Parameter adjust mechanism)，如圖6所示。 圖6 適應性模糊控制器之位置迴路控制系統  III. 適應性模糊控制器 3.1模糊控制器(Fuzzy controller) 模