長庚大學使用 CompactRIO 為基礎之倒單擺甩上與平衡控制

Author(s):
張 嘉文 - 長庚大學電機系

Industry:
University/Education

Products:
Analog Output Modules, LabVIEW, Digital Input Modules, CompactRIO

The Challenge:
系統整合控制與控制演算法的驗證是本實驗室的主要研究方向，面對不同系統需建構不同的數位控制平台，除設計過程複雜耗時外，當問題發生時無法明確且快速找出解決方案，研究時程常因此而有所延誤。

The Solution:
利用 LabVIEW 及 CompactRIO（cRIO）建構一個即時數位控制平台，並以此平台完成倒單擺之甩上與平衡控制，可有效縮短系統整合之時程，並完成所發展之控制演算法則驗證與比較。

1. 實驗室背景研究方向?

長庚大學電機系控制工程實驗室（以下簡稱本實驗室）以控制系統整合與設計、演算法推導與驗證及工業級電子產品研製為主要研究方向；本實驗室早期多以交流電機之速度與定位控制為主，近年來陸續朝向智慧型控制、觸覺感知控制、醫療輔具研製等方向發展。此外，為因應多元的應用領域，已分別採購或自行研製不同形式的驗證平台，如嵌入式實驗系統、旋轉型倒單擺、行星齒輪式倒單擺、兩輪自走車、球桿系統、力回饋裝置及視覺監控系統等。本實驗室持續將以既有之數位/類比電路設計、DSP/FPGA 整合運用、通訊介面整合等經驗為基礎，將所發展之控制法則具體驗證在相關測試平台，進而建立符合工業級規範的電子產品開發能力。

2. 簡單描述倒單擺應用

倒單擺為一典型的非線性機構，已普遍用來作為不同控制理論的驗證平台；倒單擺的控制主要可分為單擺從垂直倒下的位置到垂直豎起位置的甩上控制，以及使單擺平衡在豎起位置的平衡控制，進而探討單擺在平衡直立的情況下加入外擾所衍生之系統強健性問題。常見的倒單擺有直線型及旋轉型，此兩種結構又有多種變形，其控制的複雜度也有所不同；直線型或線型的機構都有其限制，如直線型倒單擺受限於固定的機台長度，而旋轉型倒單擺會發生傳輸線與單擺機構纏繞在一起的情形。本文採用之倒單擺機構為行星齒輪式倒單擺，此型式之倒單擺除可正反 360 度旋轉外，回授訊號傳輸線亦不會有拉扯的情形發生；此外，由於其耦合齒輪間之特殊設計，單擺轉動所需之驅動力矩為一加速度運動，相關控制難度亦較傳統倒單擺為複雜。

2. 簡單描述研究過程遇到的瓶頸及選擇 NI 產品的原因?

本研究初期是使用 DSP 與 FPGA 做為控制核心，當控制響應不如預期時，無法確認控制核心、驅動電路或是控制演算法三者何者有誤；另外，DSP 與 FPGA 的學習亦需耗費不少時間。使用 cRIO 所建構成的數位控制平台，順利地解決了系統整合、除錯、驗證等問題，且 LABVIEW 的圖形化設計介面，使研究人員能快速上手，具體節省系統開發的時間。

3. 系統架構說明

本研究架構，將行星齒輪式倒單擺（PTTP）的位置與速度訊號透 過cRIO-9401 回授至主控電腦，透過 LabVIEW 中的演算流程，計算出適當的控制命令，再藉由 cRIO-9263 輸出至機構端，並將系統即時資訊由 Ethernet 回傳至電腦儲存及分析。

4. 簡單描述如何學習使用 NI cRIO

在此研究案之前，本實驗室並沒有任何 NI 系列產品的使用經驗，一切的學習歷程充滿著新鮮感與挑戰！由於與過去熟悉的軟、硬體開發環境皆不同，無可避免地在 cRIO 使用初期有些許的不習慣與排斥感，但藉由坊間的書籍學習 了LabVIEW 的基本操作，透過範例程式熟悉 cRIO 的使用；此外，NI 的官網以及 LabVIEW360 論壇亦是我們時常造訪取經之處。研究過程中仍面臨到許多參考資料未提及之問題，非常感謝 NI 工程師不辭辛勞的現場指導與討論。相較於傳統驗證平台，本研究將過去需要一年的開發時程大幅度縮短為三個月，且其穩定性更勝於以往！

5. 使用後的心得及對 NI 服務的感想或建議

使用 cRIO 作系統整合與開發，非常的方便且快速，未來實驗室將考慮將現有控制平台逐步替換，除可確保控制平台的穩定性，研究人員更能專心致力於進階控制法則的探討。

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張 嘉文
長庚大學電機系
Tel: 03- 211-8800
m9221017@stmail.cgu.edu.tw

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