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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:梁凱翔
研究生(外文):Kai-Shiang Liang
論文名稱:預測型直接轉矩控制系統晶片設計與實現
論文名稱(外文):Design and Implementation of the Predictive Direct Torque Control ASIC
指導教授:宋國明宋國明引用關係
指導教授(外文):Guo-Ming Sung
口試委員:謝祥圓陳文輝郭建宏
口試委員(外文):Wen-Hui ChenChien-Hung Kuo
口試日期:2012-07-06
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:電機工程系所
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:硬體描述語言直接轉矩控制預測型直接轉矩控制特定應用積體電路
外文關鍵詞:Hardware description languagedirect torque controlpredictive direct torque controlapplication-specific integrated circuit
相關次數:
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本論文旨在設計一顆具有改良預測型直接轉矩控制系統晶片,藉此減少遲滯控制器的漣波響應並增加其控制能力與控制品質。本研究係使用Verilog硬體描述語言來撰寫硬體架構,並以數位IC元件庫設計模式的設計流程以及台積電TSMC0.18-μm製程來完成此顆馬達控制用專用晶片(ASIC)。
傳統直接轉矩控制係使用遲滯控制器來控制轉矩與磁通,但是當實現於離散數位系統時,數位控制器會因為取樣的時間和計算時間的延遲而造成遲滯控制器產生較大的漣波響應,導致控制能力下降。若使用預測控制,則不僅可以改善傳統直接轉矩控制的轉矩及磁通漣波響應過大的缺點,也可以減少遲滯控制器因時間延遲所造成的控制能力下降問題,使馬達控制系統更為穩定。
本論文運用硬體描述語言撰寫出控制系統的運作模式,並確認語法與功能正確無誤後,藉由台積電TSMC0.18-μm製程的元件庫與Synopsys和Cadence公司所提供的最佳化軟體來完成電路合成、自動佈局繞線與驗證等晶片開發程式,最後完成整個三相感應交流馬達控制晶片的設計與製作。經過FPGA驗證之後,本研究所提出的預測型直接轉矩控制系統晶片可以有效改善遲滯控制器的控制能力約兩成左右。

The thesis aims to design and implement a direct torque control (DTC) chip based on modified predictive scheme not only to decrease the ripple of the hysteresis controller but also to enhance the performance of motor controller. Verilog hardware description language (HDL) is used to implement the hardware architecture; and that an ASIC is implemented in TSMC 0.18-μm technology with cell-based design style.
In general, the hysteresis controller is used in traditional direct torque control system. However, the hysteresis controller will introduce more ripple in discrect digital system. Notify that both sampling and calculating delay time contribute the ripple response which degrades the control quality in motor system. By using the predictive scheme, we can not only improve the ripple issue of the traditional direct torque control technique, but also can make the control system more stable by decreasing the time delay in hysteresis controller have been verified.
After the syntax and function, the control system is implemented with the synthesis tool, the auto place & routed tool, and the function simulation tool. Finally, an ASIC is fabricated in 0.18-μm 1P6M CMOS process for three-phase induction motor control system.

摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iv
目 錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究背景與發展 3
1.3 研究方法 4
1.4 內容大綱 6
第二章 直接轉矩控制系統理論介紹 7
2.1 簡介 7
2.2 控制法則比較分析 7
2.3 三相感應電動機原理 10
2.4 變頻器架構原理介紹 11
2.5 電動機狀態方程式分析 15
2.6 電壓空間向量切換表 20
2.7 遲滯控制原理 21
2.7.1 磁通遲滯控制 21
2.7.2 轉矩遲滯控制 22
2.8 定子磁通量計算 23
2.8.1 計算d-q 軸磁通量 23
2.8.2 計算d-q 軸合成磁通量 24
2.9 磁通角度計算系統 25
2.9.1 角度區間選擇系統 25
2.10 轉矩計算 27
2.11 變頻器保護設計 27
2.12 預測控制簡介 30
第三章 直接轉矩控制系統實作 32
3.1 直接轉矩架構介紹 32
3.2 電壓偵測計算 34
3.3 電流偵測計算 36
3.4 ds–qs磁通計算 37
3.5 合成磁通計算 38
3.6 轉矩計算 39
3.7 電壓向量切換表 40
3.8 角度區間選擇 41
3.9 預測型控制法則 42
第四章 晶片設計與流程 44
4.1 晶片設計簡介 44
4.2 標準單元基礎設計流程 44
4.3 暫存器轉換階層(RTL)模擬 45
4.4 閘階層模擬(Gate-Level Simulation) 45
4.5 預測型直接轉矩控制晶片的實現 46
第五章 模擬與驗證 52
5.1 簡介 52
5.2 取樣頻率分析 52
5.3 預測型直接轉矩控制架構模擬與驗證 54
第六章 結論與未來研究 60
6.1 結論 60
6.2 未來研究 60
參考文獻 62



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