簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 王德智
TE-CHIH WANG
論文名稱: 以FPGA實現感應馬達向量控制晶片研製
Design and Implementation of a FPGA-Based Vector Control Chip for Induction Motor
指導教授: 劉昌煥
Chang-Huan, Liu
口試委員: 王乃堅
Nai-Jian, Wang
張永華
Yeong-Hwa, Chang
王偉修
none
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: 122
中文關鍵詞: 向量控制FPGADSP感應馬達
外文關鍵詞: FPGA, vector control, induction motors, DSP
相關次數: 點閱:187下載:11
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

本論文以硬體描述語言VHDL實現感應馬達向量控制之FPGA硬體數位電路設計,並以DSP晶片產生控制命令與參數存取,完成實驗與驗證。論文中使用Altera Quartus II發展硬體合成電路,並藉由模擬分析其時序功能。設計方法採由上而下(top-down)之方式,將向量控制法則分成數個獨立模組,以模組為單位設計與驗證電路,再逐一組合成完整之向量控制架構。
實驗方面,以FPGA進行向量控制之數位電路設計,搭配DSP系統完成馬達回授與檢測的功能,形成DSP-FPGA整合式數位控制系統。DSP系統主要負責參數與暫存器寫入與讀取、光編碼器解碼、電流回授訊號、以及PWM訊號之產生。FPGA系統負責實現向量控制演算法與介面電路之設計。論文中所進行之實驗以此為平台,實驗初期先以DSP軟體程式為基礎,次將向量控制各模組,逐一以硬體取代,驗證其功能正確性,並由內部擴展至外部,最後以FPGA實現整個感應馬達向量控制運算法則。
本論文成功的驗證了向量控制在感應馬達驅動IC實現上之可行性,也顯示未來馬達驅動技術在IC設計上,深具潛力與發展性。


This thesis uses the VHDL to design the FPGA-based hardware digital circuits for realizing the vector control laws for an induction motor. In order for experiments and verification, a DSP chip is utilized for control command generation and parameters read/write. The design approach is top-down, in which the vector control laws are divided into several modules; the circuit for each module is developed and verified. They are combined together to form the complete vector control structure.
In setting up the experimental system, a DSP-FPGA integrated digital control system is developed, in which the FPGA is used for implementing the digital circuits for vector control and the DSP is used for feedback signal processing, sensing, and measurement. The DSP is responsible for parameter and register read/write, optical encoder and current feedback signal processing, and PWM signal generation. The FPGA is to realize the vector control algorithms and interfacing circuits. Based on this integrated system platform, the experiments are initially based on soft-based DSP programs only. Then, starting from the innermost control loop and working outward, the vector control modules are gradually replaced by the FPGA-based digital circuits. In the final step, the complete vector control algorithms are realized by the FPGA.
This thesis has demonstrated the feasibility of implementing a vector control IC for induction motors. It also shows the future potential in developing control ICs for motor drivers.

中文摘要 i 英文摘要 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 內容大綱 3 第二章 感應伺服馬達模式與向量控制 4 2.1 感應伺服馬達數學模式 4 2.2 向量控制法則 6 2.2.1 間接式向量控制[11] 6 2.3 感應伺服馬達數學模式標么化[10] 8 第三章 向量控制晶片之系統規劃 10 3.1 簡介 10 3.1.1 VHDL程式設計流程 10 3.1.2 Altera Quartus II 發展軟體設計 12 3.2 FPGA-based 向量控制法則設計 14 3.3 PI控制器模組設計與時序模擬 18 3.3.1 PI控制器模組設計 20 3.3.2 PI控制器模組模擬 22 3.4 電氣角計算模組設計與時序模擬 24 3.4.1 電氣角計算模組設計 24 3.4.2 電氣角計算模組模擬 26 3.5 座標轉換電路設計 28 3.5.1 正餘弦查表電路 30 3.5.2 正餘弦查表模組設計實現 33 3.5.3 二軸同步座標至二軸靜止座標模組設計 34 3.5.4 二軸靜止座標至三軸靜止座標模組設計 36 3.5.5 三軸靜止座標至二軸靜止座標模組設計 38 3.5.6 二軸靜止座標至二軸同步座標模組設計 39 3.5.7 座標轉換完整模擬 41 第四章 DSP-FPGA數位化系統設計 45 4.1 系統架構介紹 45 4.1.1 Altera FLEX10KE實驗版介紹[17] 46 4.1.2 TI-TMS320F2407 DSP 實驗版介紹[19] 50 4.1.3 功率級板 59 4.2 系統介面電路設計 60 4.2.1 資料讀取與寫入時序設計 61 4.3 資料格式與回授信號資料轉換 63 4.3.1 資料格式 63 4.3.2 回授信號資料轉換 64 4.4 暫存器規劃與設計 67 4.4.1 控制晶片暫存器配置與設計說明 70 4.4.2 控制晶片腳位定義 71 第五章 模擬與實驗 73 5.1 簡介 73 5.2 DSP-FPGA實現過程 74 5.2.1 FPGA實現座標轉換 74 5.2.2 FPGA實現座標轉換與電氣角計算模組 75 5.2.3 FPGA實現內迴路 76 5.3 FPGA實現間接向量控制法則 77 第六章 結論與建議 95 參考文獻 96 附 錄A 98 附 錄B 100 附 錄C 101 作者簡介 106

[1]F. Blaschke, “The principle of field orientation as applied to the new
transvetor closed loop control system for rotating field machines, ”
Siemens Review, Vol. 34, pp.217-220, May 1972.
[2]A. Aounis, M. McCormick, and M. Cirstea, “A novel approach to induction
motor controller design and implementation,” Proc. of IEEE Int. Power
Conversion Conference (PCC), Osaka, Japan, 2-5 April 2002, pp.993-998.
[3]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.
[4]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.
[5]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.
[6]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。
[7]高旭佳,“向量控制感應馬達驅動系統電腦輔助設計,”碩士論文,國立臺灣科技大學電
機工程系,民國88年5月。
[8]劉昌煥主編,電機機械,台北市,東華書局,1999年5月
[9]W. Leonhard, Control of Electrical Drives, Springer-Verlag, Berlin,
Germany, 1997.
[10]P. C. Krause, Analysis of Electric Machinery, McGrew-Hill, New York, 1987.
[11]陳世章,“以FPGA為基礎之感應馬達向量控制晶片研製,”碩士論文,國立臺灣科技大學
電機工程系,民國92年6月。
[12]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.
[13]Altera Inc., FLEX10KE Embedded Programmable Logic Device, Data Sheet, Jan.
2003.
[14]廖裕評、陸瑞強,CPLD數位電路設計-使用MAX+plus II,全華科技圖書,2001年6月。
[15]唐佩忠,VHDL與數位邏輯設計,高立圖書有限公司,台北市,1999年9月。
[16]R.Krishanan Electric Motor Drives : Modeling,Analysis,And Control,
Prentice Hall of International,2002
[17]茂綸股份有限公司, Altera FLEX10K/FLEX10KE系列研發實驗板說明書
[18]Altera Inc., FLEX10KE Embedded Programmable Logic Device, DataSheet, Jan.
2003. http://www.altera.com/literature/ds/dsf10k.pdf.
[19]eZdsp LF2407A Technical Reference, Spectrum Digital Inc., June 2003.
http://c2000.spectrumdigital.com/ezlf2407a/docs/ezlf2407a_techref.pdf.
[20]微鋒自動科技股份有限公司, UTSD-100 SMART DRIVER 可程式單軸運動控制器參考手
冊 V1.00, Aug. 2000 。

QR CODE