臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要以ALTERA公司生產的Cyclone EP1C20F400C7 FPGA晶片為基礎來研製永磁式同步馬達之適應性模糊速度控制器系統。在電流迴路方面，採用向量控制以使非線性之永磁式同步馬達解交耦而達線性化。電流迴路之晶片設計方面，除實現空間向量脈波寬度調變電路及光編碼器脈波訊號擷取電路外，乃利用有限狀態機法來實現座標轉換、正負餘弦產生與PI控制器等電路，以簡化邏輯資源。在速度迴路方面，採用適應性模糊控制器，使之可克服馬達參數未確定性及負載變化之因素以提高永磁同步馬達速度控制之性能。適應性模糊控制器主要由模糊控制器、參考模式與參數調整機構所組成，而模糊控制器內的規則庫可藉由參數調整機構來做即時修正。速度迴路之晶片設計方面，由於模糊控制器之並行電路設計是相當耗損FPGA晶片資源。因此本論文乃採用串列式計算方式，以有限狀態機技術來設計適應性模糊控制器電路，使之不僅可減少FPGA晶片資源且不影響系統運轉性能。最後，為了評估所提出晶片設計技術之性能，本論文將整合全數位交流馬達驅動器於速度迴路所需之適應性模糊控制器與電流迴路向量控制所需之座標轉換、空間向量脈波寬度調變、A/D訊號讀取、光編碼器脈波訊號擷取之功能，於一顆FPGA晶片內實現，並架構一套實驗系統-包括Cyclone EP1C20F400C7 FPGA晶片為基礎之實驗板、永磁式同步馬達、換流器及負載機，來證實其有效性及正確性。

This main research of this thesis is to develop an adaptive speed controller for permanent magnet synchronous motor (PMSM) based on ALTERA-Cyclone EP1C20F400C7 FPGA technology. In the current control loop, vector control technology is used to improve the nonlinear phenomenon of PMSM. In the IP (Intelligent Property) design of current control loop, the finite state machine (FSM) method is utilized to implement the function of coordinate transformation, sin/cos table and PI controller of the PMSM drive, and to reduce the utilities in FPGA. In the speed control loop, an adaptive fuzzy controller is adopted to increase the robust performance under the effect of motor uncertainty and load disturbance. The adaptive fuzzy controller is consisted of a fuzzy controller, a reference model and adjustable mechanism and the rules of the fuzzy controller can be updated in real time by adjustable mechanism. In the IP design of speed control loop, due to the parallel implementation of fuzzy controller in FPGA is resource consumption, the FSM method-part of serial implementation, is used again in the design of fuzzy controller IP to reduce the utilities of FPGA but without loss system performance. Finally, to evaluate the performance of the proposed IP design technology in PMSM, in this thesis, first, all of function to implement a fully digital AC motor drive, such as the intelligent controller in speed loop, and the coordinate transformation, SVPWM output, QEP detection, vector control in current loop, is integrated in a FPGA chip. Then, an experimental system, based on Cyclone EP1C20F400C7 experimental board, inverter, PMSM, external load, is set up and some experimental results are proven the correctness and validity of the proposed technologies.

摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目次 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與發展概況 1
1.2 研究動機 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 本文架構 5
第二章 永磁同步馬達之數學模式與向量控制 6
2.1 永磁同步馬達數學模式 7
2.2 永磁同步馬達之向量控制 10
2.3 座標轉換 12
2.4 空間向量脈波寬度調變(SVPWM)法 13
2.4.1 基本向量之導通時間計算 16
2.4.2 各臂開關比較器値 18
2.4.3 基本向量之導通時間計算 19
2.4.4 SVPWM計算程序 20
2.5 永磁同步馬達電流控制迴路之實現 22
2.6 速度控制器之設計 23
2.6.1 永磁同步馬達速度控制迴路之實現 24
第三章 Cyclone EP1C20F400C7晶片簡介 25
3.1 Cyclone EP1C20F400C7簡介 25
3.2 Cyclone EP1C20F400C7發展板 26
3.3 晶片介紹 29
3.3.1 硬體描述語言(Hardware description language) 29
3.3.2 軟體設計流程 31
3.3.3 數值系統 33
3.4 ALTERA SoPC介紹 35
第四章 永磁同步馬達電流迴路控制晶片之設計 41
4.1 FPGA控制晶片硬體架構 41
4.2 座標轉換電路 42
4.2.1 正負餘弦產生電路 42
4.2.2 兩軸旋轉座標至兩軸靜止座標轉換電路 44
4.2.3 兩軸靜止坐標至靜止三軸座標轉換電路 44
4.2.4 靜止三相座標至兩軸靜止座標轉換電路 45
4.2.5 兩軸靜止坐標至兩軸旋轉座標轉換電路 46
4.2.6 PI控制器電路 46
4.3 利用有限狀態機方法設計座標轉換電路與PI控制器電路 47
4.4 處理回授訊號之硬體架構 52
4.4.1 方形波編碼器脈波(Quadrature Encoder Pulse, QEP)電路 53
4.4.2 類比/數位轉換(Analog to Digital Converter)電路 58
4.5 脈波寬度調變(SVPWM)電路設計 61
4.6 Nios CPU控制介面電路 65
4.7 永磁同步馬達電流迴路控制晶片資源使用 68
第五章 永磁同步馬達之適應性模糊速度控制器 69
5.1 適應性模糊控制器架構 69
5.2 模糊控制器架構 71
5.2.1 模糊化介面(fuzzification interface，FI) 72
5.2.2 規則庫(rule base) 74
5.2.3 決策推論(inference engine) 76
5.2.4 解模糊化介面(defuzzification interface，DFI) 76
5.3 參考模型 77
5.4 調整機構(adjust mechanism) 78
5.4.1 調整機構的限制 80
5.5 永磁同步馬達適應性模糊速度控制器之架構 81
第六章 永磁同步馬達適應性模糊速度控制器數位硬體電路設計 83
6.1 速度估測計算與電路設計 84
6.2 參考模型之電路設計 86
6.3 適應性模糊控制器之電路設計 88
6.3.1 模糊化介面之電路設計 88
6.3.2 規則庫之電路設計 92
6.3.3 決策推論之電路設計 93
6.3.4 調整機構之電路設計 96
6.3.5 解模糊化介面之電路設計 101
6.3.6 PI控制器之電路設計 101
6.4 適應性模糊速度控制器之控制方塊圖與資源應用 103
6.5 適應性模糊速度控制器之模擬與驗證 104
第七章 實驗架構與實驗結果 108
7.1 實驗架構 108
7.2 實驗結果 109
7.2.1 SVPWM實驗 110
7.2.2 輸出之三相弦波與回授之三相弦波關係 112
7.2.3 永磁同步馬達之電流迴路實驗 115
7.2.4 永磁同步馬達之速度迴路實驗 121
7.2.5 適應性模糊控制器對kp與ki參數之影響 130
7.2.6 學習調整機構之 增益調整 132
第八章 結論與未來研究方向 135
參考文獻 137
作者簡介 142

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