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研究生: 洪寧胤
Ning-Ying Hung
論文名稱: 永磁式同步馬達向量控制晶片設計
The Design of a Vector Control Chip for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives
指導教授: 劉昌煥
Chang-Huan Liu
口試委員: 許新添
Hsin-Teng Hsu
張永華
Yeong-Hwa Chang
王乃堅
Nai-Jian Wang
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: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 138
中文關鍵詞: 永磁同步馬達向量控制硬體描述語言晶片設計
外文關鍵詞: Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM), Vector control, The hardware description language, IC Design
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本論文主要研究永磁同步馬達向量控制晶片設計。此控制晶片實現永磁同步馬達向量控制中,所需執行之電流及速度控制器、限制器、電壓解耦合器、馬達數學模型、資料存取所需之資料位址線設計等。本論文之晶片設計流程中,首先發展以Matlab Simulink電腦輔助設計浮點表示法之永磁同步馬達數位控制系統,再以操作點設計與驗證32位元及16位元定點數表示法之系統。晶片之硬體設計使用Xilinx ISE應用程式,先撰寫硬體描述語言Verilog HDL,設計永磁同步馬達數位控制晶片程式碼,並以浮點運算系統、定點運算系統及晶片程式碼做模擬與比較。於晶片設計之後段研究,依照晶片繞線與佈局流程,將晶片程式碼產生之RTL(Register Transfer Level)做邏輯合成,得到晶片硬體之Netlist,最後完成APR(Automatic Placement and Route)之結果,可得到永磁式同步馬達向量控制晶片之繞線與佈局結果。
由本論文的模擬與驗證結果可以確定數位控制晶片之正確性,並能獲得良好的控制響應,相較於傳統軟體控制之架構有較快的執行速度,且其標么化系統可適用於不同規格之永磁同步馬達。


This thesis studies the design of a vector control chip for a permanent magnet synchronous motor (PMSM). The chip realizes the vector control of the PMSM, which includes current and speed controllers, limiters, voltage decouplers, motor model, and the required data and address bus for fetching and storing information. The chip design process starts from the development of the PMSM digital control system which is based on MATLAB/Simulink computer-aided design program and is in floating-point format. This is followed by the design of 32-bit and 16-bit fixed-point control systems which depends on the choice of motor operating points. The chip hardware design utilizes Xilink ISE application programs. The hardware description language Verilog is used to program the PMSM control chip, which is then verified using both floating-point and fixed-point Simulink simulation. Finally, the APR (automated placement and route) results are obtained using the chip routing and layout procedures which include RTL (register transfer level) and Netlist.
Based on simulation studies, the vector control chip developed in this thesis has achieved good control performance. Compared to the conventional software control approach, the proposed method has better execution speed and its per unit representation is applicable to various PMSM specifications.

摘 要 i ABSTRACT ii 誌 謝 iii 目 錄 iv 符號索引 vi 圖表索引 viii 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 3 1.3 內容大綱 5 第二章 永磁同步馬達控制系統之標么化 6 2.1 永磁同步馬達數學方程式與標么化 6 2.2 電壓解耦合數學方程式與標么化 10 2.3 PI控制器數學方程式與標么化 12 2.4 永磁同步馬達向量控制系統標么化 15 第三章 Matlab Simulink電腦輔助設計永磁同步馬達數位控制系統 17 3.1 浮點運算數位控制系統設計 17 3.2 利用操作點設計定點運算之Q值 22 3.3 32位元控制晶片定點運算Q值設計 25 3.4 16位元控制晶片定點運算Q值設計 31 第四章 永磁式同步馬達向量控制晶片之Verilog HDL程式設計 39 4.1 運算元件之Verilog HDL設計 39 4.2 32位元永磁式同步馬達控制晶片之程式設計 58 4.3 16位元永磁式同步馬達控制晶片之程式設計 63 第五章 模擬與比較 67 5.1 模擬環境介紹 67 5.2 使用操作點驗證控制系統設計 67 第六章 永磁同步馬達向量控制 晶片佈局設計 90 6.1 晶片設計流程 90 6.2 32位元永磁同步馬達數位控制晶片之佈局 94 6.3 16位元永磁同步馬達數位控制晶片之佈局 104 6.4 晶片邏輯閘資源分析 113 第七章 結論與建議 115 參考文獻 116 附 錄 118 作者簡介 119

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