簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 陳威宇
Wei-Yu Chen
論文名稱: 以FPGA為基礎實現永磁式同步馬達向量控制晶片
Design and Implementation of a FPGA-Based Vector Control Chip for a Permanent Magnet Synchronous Motor
指導教授: 劉昌煥
Chang-Huan Liu
口試委員: 劉添華
Tain-Hua Liu
王偉修
Wei-Shiu Wang
張永華
Yeong-Hwa Chang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 109
中文關鍵詞: 現場可程式化閘陣列硬體描述語言向量控制混合式控制系統數位訊號處理器伺服控制晶片永磁式同步馬達
外文關鍵詞: DSP, FPGA, VHDL, vector control, hybrid system, servo control chip, permanent magnet synchronous motor
相關次數: 點閱:247下載:3
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本論文主要研究永磁式同步馬達伺服控制晶片之設計與製作。此控制晶片實現永磁式同步伺服馬達向量控制中所需執行之座標轉換、電壓解耦、電流迴路與速度迴路PI控制器等運算功能。實作時,以ALTERA FLEX10K FPGA與TMS320LF2407A DSP所組成之DSP-FPGA混合式控制系統為基礎,逐一取代DSP系統內由C語言所撰寫之向量控制演算法則。為了簡化設計與降低電路複雜度,程式採用模組化方式設計,先將各功能電路以基本模組實現,再整合成完整之架構,其中為了提高電路運算精確度,數值運算皆採用16位元帶符號2的補數方式設計。完成後之伺服控制晶片將與DSP晶片相連結,利用DSP之人機介面下達轉速命令並擷取馬達運轉時各變數之動態資料,進行各電路性能分析與整合,達成以FPGA實現永磁式同步伺服馬達向量控制之目的。
    由實驗結果顯示,以本論文所建構之DSP-FPGA混合系統設計永磁式同步馬達伺服控制晶片,並執行硬體化後之向量控制演算法則,在200rpm至額定3000rpm之馬達轉速間,皆可以6.4 s之電路執行速度得到穩定之響應,證實本研究所提控制架構對控制法則硬體化及提升數位控制性能有很大助益。


    This thesis investigates the design and implementation of a servo control chip for a permanent magnet synchronous motor. The control chip realizes the computational functions that are needed in the vector-control permanent magnet synchronous motor, including coordinate transformations, voltage decoupling, and the PI controllers for current- and speed-loop. The use of Altera Flex10K FPGA and TI TMS320LF2407A DSP forms a DSP-FPGA hybrid control system which replaces the C language coded vector-controlled algorithm resided in the DSP. In order to simplify design and to lower circuit complexity, program development is based on modularized design. A modularized circuit is designed for each functional block and the modules are then integrated into the complete structure. To improve computational accuracy of the circuits, numerical operations use 16-bit 2’s complement formats. By connecting servo control and DSP chips, speed commands are given via the DSP man/machine interface and the dynamic responses of motor variables are acquired, which are used for system performance analysis. The purpose of realizing vector control for permanent-magnet synchronous motor using FPGA is achieved.
    Experimental results show that the permanent magnet synchronous motor servo control chip, which is based on the DSP-FPGA hybrid system, executes the “hardware” vector control algorithm within 6.4 microseconds and maintains stable operation in the speed range from 200 rpm to 3000 rpm. This research has shown that the proposed control structure facilitates greatly the implementation of hardware based control algorithms and the improvement of digital control performance.

    摘 要 i ABSTRACT ii 誌 謝 iii 目 錄 iv 符號索引 vii 圖表索引 ix 第一章 緒 論 1 1.1研究動機 1 1.2研究目的 2 1.3論文架構 3 第二章 永磁式同步馬達數學模式與向量控制 4 2.1永磁式同步伺服馬達數學模式與標么化 4 2.2向量控制數學模式與標么化 9 第三章 DSP-FPGA混合系統設計 12 3.1 DSP-FPGA硬體架構 12 3.2 DSP硬體介面 13 3.2.1 CPU架構 16 3.2.2記憶體架構與輸出輸入空間 17 3.2.3類比/數位轉換(ADC) 18 3.2.4 QEP 19 3.2.5事件管理者(Event Manager) 20 3.3 FPGA硬體介面 21 3.3.1 ALTERA FLEX10KE實驗板 21 3.3.2 FLEX元件介紹 23 3.4向量控制FPGA系統規劃 27 3.4.1硬體描述語言(Hardware Description Language) 27 3.4.2電路設計流程 28 3.4.3控制晶片暫存器配置與設定 29 3.4.4控制晶片腳位定義 31 3.5 FPGA資料存取與DSP晶片時序 33 第四章 DSP-FPGA向量控制晶片設計 35 4.1系統架構與控制晶片之介紹 36 4.2介面電路設計 37 4.3座標轉換電路設計 39 4.3.1正(餘)弦數值產生電路 41 4.3.2二軸旋轉座標至二軸靜止座標轉換電路 44 4.3.3二軸靜止座標至三相靜止座標轉換電路 47 4.3.4三相靜止座標至二軸靜止座標轉換電路 49 4.3.5二軸靜止座標至二軸旋轉座標轉換電路 52 4.3.6座標轉換電路模擬 54 4.4 PI控制器電路設計與模擬 57 4.5週期觸發與回授訊號處理之電路設計 61 4.5.1方形波編碼器脈波(QEP) 62 4.5.2類比/數位轉換(A/D Converter) 64 4.6 PWM與Dead Band單元 64 4.7功率模組 65 第五章 模擬與實作 67 5.1簡介 67 5.2基本模組功能實驗 69 5.2.1介面電路實現 69 5.2.2週期觸發電路實現 70 5.2.3 DSP實現PI控制器 72 5.2.4 FPGA實現PI控制器 73 5.2.5 DSP實現座標轉換電路 77 5.2.6 FPGA實現座標轉換電路 81 5.3 DSP與FPGA實現電流閉迴路控制實驗 87 5.4 DSP與FPGA實現向量控制實驗 95 第六章 結論與建議 105 參考文獻 106 附 錄 108 作者簡介 109

    [1]F. Blaschke, “The principle of field orientation as applied to the new TRANSVECTOR closed loop control system for rotating field machines, ” Siemens Review, vol. 34, pp.217-220, May 1972.
    [2]M. Cirstea, A. Aounis, M. McCormick, and P. Urwin, ”Vector control system design and analysis using VHDL,” in Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), Vancouver, Canada, June 2001, pp. 18-22.
    [3]J.C.G. Pimentel and H. Le-Huy, “A VHDL-based methodology to develop high performance servo drivers, ” in Proc. IEEE-IAS Annual. Conf., Rome, Italy, Oct. 2000, pp. 1505-1512.
    [4]M. Cirstea, A. Aounis, M. McCormick, P. Urwin, and L. Haydock, “Induction motor drive system modelled in VHDL, ” in Proc. IEEE VIUF-BMAS Fall Conference, Orlando, Florida, Oct. 2000, pp. 113-117.
    [5]劉昌煥, 交流電機控制:向量控制與直接轉矩控制原理, 東華書局, 台北市, 2001年9月。
    [6]劉文達, “線型與轉動型永磁式同步伺服馬達之參數自動調適,” 碩士論文, 國立臺灣科技大學電機工程系, 民國89年5月。
    [7]P. C. Krause, Analysis of Electric Machinery, McGrew-Hill, New York, 1987.
    [8]T. Riesgo, Y. Torroja, and E. de la Torre, “Design methodologies based on hardware description languages, ” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 46, no. 1, pp. 3-12, Feb. 1999.
    [9]唐佩忠, VHDL與數位邏輯設計, 高立圖書, 台北市, 1999年9月。
    [10]新華電腦, DSP 從此輕鬆跑(TI DSP 320LF2407A), 台科大圖書, 2003年10月。
    [11]微鋒自動科技有限公司, UTP-10/30 功率級板使用說明書 V1.1, April 1999。
    [12]Altera Inc., FLEX10KE Embedded Programmable Logic Device, Data Sheet, Jan. 2003.
    [13]Texas Instruments Inc., TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide, SPRU357C, May 2006.

    QR CODE