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以 FPGA 為基礎三軸平台運動控制演算法則高速化之研製

以 FPGA 為基礎三軸平台運動控制演算法則高速化之研製. 南台科技大學 電機工程系 伺服控制晶片設計研究室. 學生 ﹕ 劉適存. 指導教授：龔應時 教授. Outline. 摘要 1. 緒論 2. 運動控制器設計之演算法則 3. 三軸馬達硬體電路演算法則高速化之研究晶片設計 4. 高速演算法則伺服運動控制實驗架構及實驗結果 5. 結論. 摘 要.

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以 FPGA 為基礎三軸平台運動控制演算法則高速化之研製

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  1. 以FPGA為基礎三軸平台運動控制演算法則高速化之研製以FPGA為基礎三軸平台運動控制演算法則高速化之研製 南台科技大學 電機工程系伺服控制晶片設計研究室 學生﹕劉適存 指導教授：龔應時 教授

  2. Outline 摘要 1.緒論 2.運動控制器設計之演算法則 3.三軸馬達硬體電路演算法則高速化之研究晶片設計 4.高速演算法則伺服運動控制實驗架構及實驗結果 5.結論

  3. 摘 要 為了提高伺服系統的控制性能，快速的運動響應及隨環境變化的控制參數調變能力，利用FPGA(現場可程式邏輯閘陣列)優越的硬體快速計算及可程式能力來處理伺服系統先進的控制演算法則以提升其運動性能，以下目標即成為本文之研究目的。 以FPGA晶片完成三軸馬達驅動器電流/速度/位置迴路之控制，包括向量控制、空間向量脈波寬度調變(SVPWM)、速度/位置PI控制。 進行實驗測試，包括位置、速度步階響應，以及運動軌跡追蹤，以證實其有效性與正確性。

  4. 一、 多軸伺服控制 一般而言，多軸伺服控制，可以被區分為兩部份，一部份為具有伺服驅動器的機械結構，另一部分為控制多軸機械運動之控制器。

  5. 螺桿

  6. 二、運動控制器設計之演算法則 2.1 三軸平台控制系統之實現 2.2 電流迴路向量控制演算法則 2.4空間向量脈波寬度調變(SVPWM)策略之演算法則

  7. 2.1 三軸平台控制系統之實現

  8. 2.2 永磁同步馬達電流向量控制

  9. 座標轉換 9

  10. 2.3空間向量脈波寬度調變(SVPWM) 區間3 電壓基本向量空間 區間1

  11. x x x + + + x x + x s1 s2 s3 s4 s5 3.1高速演算法則控制IP之設計 • Example: • Parallel processing: • Sequential processing using Finite state machine (FSM): three multipliers and two adders Near one clock execution time Multiplier is large utilities consumption in FPGA one multiplier and one adder Five clocks execution time

  12. 3.2空間向量脈波調變演算法之控制IP設計

  13. 3.3電流向量控制演算法之控制IP設計

  14. 3.4 模糊控制演算法之控制IP設計

  15. 模糊控制規則庫

  16. 3.5System-on-a-Programmable-Chip設計 (a) (b)

  17. Quartus II下以SoPC架構實現

  18. 3.6 軌跡規劃-圓軌跡

  19. 3.7 軌跡規劃-星行軌跡規劃 星形軌跡方程式如下： a 軌跡： b 軌跡： c 軌跡： d軌跡： e軌跡： 其中S 為位置增加量，其大小可改變運動的速度； xi為X 軸命令軌跡； yi為Y軸命令軌跡；經由上述之軌跡方程式，隨時間經過即可產生星形軌跡。

  20. 4.1實驗硬體架構介紹

  21. 4.2高速演算法則控制IP實驗之演算法則硬體計算時間測試架構4.2高速演算法則控制IP實驗之演算法則硬體計算時間測試架構 演算法則在FPGA執行時間之量測架構

  22. IP演算法則硬體計算時間測試 SVPWM執行時間之量測結果 電流向量控制器執行時間之量測結果 模糊控制器執行時間之量測結果

  23. 位置、速度PI參數設計 速度響應Kp、Ki參數 位置響應Kp、Ki參數

  24. 單軸速度響應實驗結果

  25. 單軸位置響應實驗結果

  26. 雙軸位置圓軌跡響應實驗結果

  27. 雙軸位置星行軌跡響應實驗結果

  28. 結論 本文應用FPGA的硬體快速計算及可程式能力來處理伺服系統的控制演算法則以提升其運動性能。本文所完成之技術說明如下： (1)可應用在永磁同步伺服馬達位置控制系統上。 (2)空間向量脈波調變演算法之計算時間為2.308  s、電流向量控制演算法之計算時間為1.948  s而模糊控制器演算法則之計算時間為5.668  s。 (3)可在SoPC 環境下使用與性能驗證。

  29. Thank you for your attention.

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