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研究生:陳宗裕
研究生(外文):Tsung-yu Chen
論文名稱:感應馬達向量控制晶片設計
論文名稱(外文):The Design of a Vector Control Chip for Induction Motor Drives
指導教授:劉昌煥劉昌煥引用關係
指導教授(外文):Chang-Huan Liu
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:電機工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:135
中文關鍵詞:感應馬達向量控制Verilog HDLCell-Based IC Design
外文關鍵詞:induction motorvector controlVerilog HDLCell-Based IC Design
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本論文針對感應伺服馬達向量控制,利用Cell-Based IC Design Flow實現感應馬達向量控制晶片。首先建立感應馬達向量控制演算法則,經過標么化處理,可應用在不同規格的系統上;接著使用MATLAB Simulink將感應馬達向量控制數學方塊圖以浮點運算方式設計出其模型,然後利用操作點設計定點運算之Q值,分別設計出32位元與16位元之定點運算規格的感應馬達向量控制數位模型。
設計出感應馬達向量控制數位模型後,接著利用硬體描述語言Verilog HDL撰寫感應馬達向量控制晶片模組,從基本的運算元件開始設計其模組,如乘法器、積分器與除法器,之後設計較複雜的模組,如PI控制器、滑差估測器、電壓解耦合等模組,並規劃整個晶片系統之IO界面與暫存器,最後建構出完整感應馬達向量控制晶片模組,得到合成後的RTL(Register Transfer Level)電路圖。
將MATLAB Simulink設計的模型與Verilog HDL設計的模組做模擬與比較,驗證兩者的設計方法正確之後,開始進行晶片設計流程,從電路合成到佈局與繞線,成功地製作出32位元和16位元之感應馬達向量控制晶片佈局圖。
This thesis studies the design of a control chip for realizing the vector control laws of an induction servo motor using cell-based IC design flow. The induction motor vector control laws are first per unitized so as to be applicable to various motor ratings. Then MATLAB/Simulink programs are developed to establish the vector controlled induction motor models in floating-point formats. To design both 32-bit and 16-bit models in fixed-point formats, the Q values are determined by predetermined motor operating points.
The hardware description language Verilog is used to code the digitalized vector-control laws and the motor model. The design starts from the basic computation units such as multiplier, integrator and divider. It then follows by more complicated modules such as the PI controllers, slip estimators, voltage decouplers, and the I/O interface and registers for the desired control chip. The complete vector-controlled chip modules are ultimately integrated and the RTL (register transfer level) circuit diagram is synthesized.
Both the MATLAB/Simulink and Verilog models are simulated and compared. The simulation results confirm the accuracy of the proposed approach. The final step is to complete the chip design flow and the thesis successfully complete routing and layout for both the 32-bit and 16-bit vector-controlled chips.
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
符號索引 vi
圖表索引 vii
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 5
第二章 感應馬達控制系統與標么化 6
2.1 感應馬達數學方程式與標么化 7
2.2 感應馬達向量控制與標么化 11
第三章 MATLAB Simulink電腦輔助設計感應馬達數位控制系統 17
3.1 浮點運算感應馬達控制系統設計 18
3.1.1 浮點運算感應馬達模型設計 18
3.1.2 浮點運算感應馬達向量控制模型設計 21
3.2 利用操作點設計定點運算之Q值 24
3.2.1 定點數介紹 24
3.2.2 操作點介紹 25
3.3 32位元定點運算感應馬達控制系統設計 26
3.3.1 32位元定點運算感應馬達數位模型設計 26
3.3.2 32位元定點運算感應馬達向量控制數位模型設計 30
3.4 16位元定點運算感應馬達控制系統設計 34
3.4.1 16位元定點運算感應馬達數位模型設計 34
3.4.2 16位元定點運算感應馬達向量控制數位模型設計 37
第四章 感應馬達向量控制晶片之Verilog HDL程式設計 41
4.1 運算元件與系統規劃之設計 42
4.1.1 乘法器模組 42
4.1.2 積分器模組 44
4.1.3 除法器模組 44
4.1.4 IO界面與暫存器規劃 46
4.1.5 系統時序規劃 50
4.2 32位元感應馬達向量控制晶片之程式設計 53
4.2.1 32位元單一模組之設計 53
4.2.2 32位元完整模組之設計 57
4.3 16位元之感應馬達向量控制晶片之程式設計 60
4.3.1 16位元單一模組之設計 60
4.3.2 16位元完整模組之設計 64
第五章 模擬與比較 67
5.1 模擬環境介紹 67
5.2 使用操作點驗證感應馬達向量控制系統設計 68
5.2.1 MATLAB Simulink設計浮點運算結果 70
5.2.2 MATLAB Simulink設計32位元定點運算結果 75
5.2.3 MATLAB Simulink設計16位元定點運算結果 80
5.2.4 32位元控制晶片之Verilog HDL程式設計模擬結果 85
5.2.5 16位元控制晶片之Verilog HDL程式設計模擬結果 90
5.2.6 比較模擬結果與分析 95
第六章 感應馬達向量控制晶片佈局設計 101
6.1 晶片設計流程 101
6.1.1 Design Compiler之設計 102
6.1.2 DFT Compiler之設計 103
6.1.3 Astro之設計 104
6.2 32位元感應馬達向量控制數位晶片之佈局 112
6.3 16位元感應馬達向量控制數位晶片之佈局 122
第七章 結論與建議 132
參考文獻 133
作者簡介 135
[1]Blaschke, F., “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, (1972).
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[19]王旭昇,「Logic Synthesis with Design Compiler」,訓練課程資料,國家晶片系統設計中心,2007年。
[20]莊宗桓,「Cell-Based IC Physical Design and Verification with Astro」,訓練課程資料,國家晶片系統設計中心,2007年。
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