以低成本單晶片微電腦為基礎的高速光碟機長程傳動馬達之適應性模糊控制器之研製

Abstract

在本論文中，我們將傳統的PI控制和適應性模糊控制結合，應用於高速光碟機長程傳動直線式音圈馬達的伺服控制上。在音圈馬達伺服控制的速度控制上，我們採用速度追蹤型控制。我們將研究討論三種控制器：PI控制器，適應性模糊控制器，PI+適應性模糊控制器。傳統的PI控制器，在受控系統為線性非時變系統及控制器工作參數和受控系統參數相配合時，才會有好的控制效果，所以其在穩健度的表現上很脆弱；適應性模糊控制，利用自我學習、修正錯誤的方法，學習受控系統的模糊控制法則，所以具有不錯的穩健性，但其缺點為在速度追蹤已達穩態時，在控制上容易發生振盪。我們將兩種控制方法結合，提出PI+適應性模糊控制的控制方法，利用雙方的優點，彌補彼此的缺點，成為一控制精準，穩健性又強的控制器。另外，一般光碟機長程傳動馬達定位時的速度追蹤曲線，是採用梯形圖形。我們則提出一種誤差預測法來改良原來的速度參考曲線，這種方法會依照目前馬達的位移情況，適當決定馬達移動的參考速度，可使高速光碟機長程傳動馬達即使在控制器控制效果不佳的情況下，仍能夠在絕大部分的定位中，在一次梯形參考曲線中以最短的時間完成定位控制。為了使我們的研究更具實用價值，我們以市場上易取得且成本低的零件，例如：8052、ADC0804、DAC0800，組成一個可獨立工作的單晶片微電腦控制器，並將我們研究提出的伺服理論，完全在這個控制器上實作出來。

In this thesis, we combine the traditional PI control and adaptive fuzzy control, and apply them to the sled voice-coil motor(VCM) servo control of a high-speed CD-ROM. The velocity-trace control is used for the VCM serovo control. We investigate three kinds of controllers: PI controller, adaptive fuzzy controller, and PI+Adaptive fuzzy controller. The PI controller has good performance only when the plant is linear time-invariant and system parameters are matching. However, the PI controller has weak robust property. An adaptive fuzzy controller has strong robustness by learning the fuzzy control rules, but usually oscillate in the steady state. Therefore, we propose a hybrid control scheme that includes a PI control and an adaptive fuzzy control. It overcomes the disadvantages of PI control and adaptive fuzzy control by the advantages of the two. We also present an error-predict scheme to improve the traditional reference trapezoid curve of velocity. A low-cost single-chip microcomputer is used to implement the whole control algorithm, so that the controller has the potential in real design. 英文摘要 II 誌 謝 III 目錄 IV 圖目錄 VI 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3章節的安排 4 第二章:音圈馬達系統 5 2.1光碟機之伺服系統 5 2.2音圈馬達 7 2.2.1音圈馬達之原理[11-12] 7 2.2.2音圈馬達之系統模型 8 2.2.3音圈馬達之系統判別 11 第三章 音圈馬達的控制電路 15 3.1控制電路元件 15 3.2控制電路設計分析 18 3.2.1微處理器的設計考量 18 3.2.2 DAC0800的設計考量 19 3.2.3 ADC0804的設計考量 20 第四章 音圈馬達的控制方法 22 4.1速度參考曲線 23 4.1.1位置資訊 23 4.1.2速度參考曲線的規劃 24 4.2 PI控制方法 32 4.2.1 PI控制器轉移函式 32 4.2.2 PI控制器的優缺點 35 4.3適應性模糊控制方法 37 4.3.1模糊控制 37 4.3.2適應性模糊控制 42 4.3.3適應性模糊控制的優缺點 46 4.4 PI控制和適應性模糊控制結合 47 第五章 實作結果 48 5.1 PI控制器 48 5.1.1 PI控制器的規格 48 5.1.2 PI控制器對各種位移長度的控制結果 48 5.1.3 PI控制器位移 ±11.0 mm的控制結果 52 5.1.4 PI控制器的結果分析 54 5.2 適應性模糊控制器 55 5.2.1適應性模糊控制器的規格 55 5.2.2適應性模糊控制器的學習 56 5.2.3適應性模糊控制器對各種位移長度的控制結果 57 5.2.4適應性模糊控制器位移±11.0 mm的控制結果 60 5.2.4適應性模糊控制器的結果分析 62 5.3 簡化型適應性模糊控制器 63 5.3.1 簡化型適應性模糊控制器的規格 63 5.3.2簡化型適應性模糊控制器的學習 64 5.3.3簡化型適應性模糊控制器對各種位移長度控制結果 65 5.3.4簡化型適應性模糊控制器位移±11.0 mm的控制結果 68 5.3.5簡化型適應性模糊控制器的結果分析 70 5.4 PI+簡化型適應性模糊控制器 71 5.4.1 PI+簡化型適應性模糊控制器的規格 71 5.4.2好PI+簡化型適應性模糊控制器 72 5.4.3差PI+簡化型適應性模糊控制器 80 5.5實作結果總結 87 第六章 結論 88 參考文獻 89 附錄一 音圈馬達控制系統照片 90 附錄二 低成本單晶片微電腦控制器電路圖 91