本論文主要研究以FPGA晶片來實現永磁式同步馬達驅動系統速度控制器。此速度控制晶片主要包括兩組智財(IP)，一組為馬達電流迴路向量控制IP，另一組為馬達速度迴路模糊控制IP。向量控制IP主要執行永磁式同步馬達電流迴路控制中所需之座標轉換、脈波編碼信號偵測、電流偵測(A/D轉換控制)、空間向量脈波寬度調變(SVPWM)、PI控制器等功能，而速度迴路模糊控制IP主要執行正規化、模糊化、模糊推論、反模糊化、反正規化等功能。此外，本文也設計一組匯流排介面IP，透過此組IP，速度控制晶片可以接收外界微處理器(如DSP晶片)之速度命令，也可把永磁式同步馬達運轉狀態傳至外界微處理器內，以進行性能分析比較。為了提高系統設計之精度，模糊控制IP採用10位元資料長度，而向量控制IP採用12位元Q11且2’補數之資料格式。所有電路採用模組化設計，以簡化設計與降低硬體實現之複雜度。本系統之FPGA晶片使用ALTERA公司生產的Cyclone EP1C20現場可規劃邏輯陣列，而內部電路以VHDL語言發展。最後，除模擬外，本論文完成建構一套實驗系統─包括FPGA為基礎之伺服實習板、TMS320F24x DSK板、換流器、整流器、永磁式同步馬達、PC等，由實驗分析及其性能響應可以證實所提的永磁式同步馬達速度控制晶片之有效性。

　　In this thesis, a permanent magnet synchronous motor (PMSM) speed control IC implemented by a FPGA chip is presented. This control IC contains two major intellectual properties (IP). One is the current vector control IP used in current loop of the PMSM, the other is fuzzy control IP used in speed loop of the PMSM. The current vector control IP performs the function of the coordinate transformation, the detection of quadrature encoder pulse, the current detection (A/D conversion), the space vector pulse width modulation (SVPWM), and two PI controllers. The fuzzy control IP performs the function of normalization, fuzzification, fuzzy inference, defuzzification and denormalization. Except that, this control IC also contains a bus interface IP. Therefore, the control IC can receive the external speed command and transmit the running status and dynamic information of the PMSM to external processor (such as, DSP chip) through this bus interface IP. To simplify the design and increase the precision realization, a modular design approach is proposed and a 12-bit data length with Q11 and signed 2’s complement computation in vector control IP and a 10-bit data length in fuzzy control IP are utilized. In this thesis, the Altera CycloneEP1C20 FPGA chip is used and the circuits are designed by VHDL. At last, except simulation, an experimental system which includes a FPGA-based servo board, a TMS320F24x DSK, an inverter, a rectifier, a PMSM and a set of PC has been set up and some experimental results have been provided for demonstrating the effectiveness of the proposed speed control IC.

摘 要 I
ABSTRACT II
誌 謝 III
目 錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
符號表 XVII
英文簡寫表 XXII
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機 3
1.4 本文架構 4
第二章 永磁式同步馬達之數學模式及向量控制與空間向量脈波寬度調變 6
2.1 永磁式同步馬達之數學模式 7
2.2 永磁式同步馬達之向量控制原理 11
2.3 座標轉換 13
2.3.1 座標轉換與功率關係推導 14
2.3.2 座標轉換方程式 14
2.3.3 磁極角度量測 15
2.4 空間向量脈波寬度調變 16
2.5 PMSM電流控制晶片之架構 23
第三章 數位積體電路設計與FPGA晶片介紹 26
3.1 數位積體電路設計 26
3.2 ALTERA CYCLONE晶片介紹[10] 29
3.3 晶片設計 36
3.3.1 硬體描述語言 37
3.3.2 軟體設計流程 38
3.3.3 ALTERA SOPC介紹[12] 40
第四章 模糊控制介紹 44
4.1 模糊控制器的組成 44
4.1.1 模糊化介面 44
4.1.2 模糊知識庫 46
4.1.3 決策邏輯 47
4.1.4 解模糊化 50
第五章 永磁同步馬達控制晶片之系統設計 52
5.1 永磁同步馬達速度控制晶片之硬體架構 52
5.2 座標轉換電路 53
5.2.1 三相座標軸及 靜止座標軸之轉換電路 54
5.2.2 靜止座標軸與 同步旋轉軸之轉換電路 56
5.2.3 同步旋轉軸與 靜止座標軸之轉換電路 57
5.2.4 靜止座標軸及 三相座標軸之轉換電路 59
5.2.5 SIN&COS查表電路 61
5.3 空間向量脈波寬度調變之IP設計 63
5.4 馬達回授檢測電路 68
5.5 與DSP溝通之介面電路 72
5.6 PI控制器電路 73
第六章 模糊控制器IP之設計 75
6.1 模糊化電路 75
6.1.1 速度誤差與誤差變化量計算之電路設計 75
6.1.2 正規化電路 77
6.1.3 模糊化電路[48~59] 83
6.2 決策邏輯電路[48~59] 90
6.3 解模糊化電路[48~59] 101
6.3.1 解模糊化電路 101
6.3.2 反正規化電路 106
6.3.3 積分控制電路 108
6.4 模糊邏輯電路之實現 110
第七章 實驗之硬體架構 117
7.1 FPGA伺服馬達控制晶片實驗板 119
7.2 伺服馬達驅動器電路設計 124
7.3 DSP實驗板 127
第八章 系統實驗結果與分析 129
8.1 電流閉迴路控制實驗 129
8.2 速度閉迴路控制實驗 134
8.2.1 PI控制器速度閉迴路控制實驗 137
8.2.2 模糊控制器速度閉迴路控制實驗 141
第九章 結論與未來發展 150
參考文獻 152
作者簡介 158

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