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基于FPGA的有限转角直流无刷力矩电机控制系统设计

作　者: 李宝荣
导　师: 颜昌翔
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 有限转角直流无刷力矩电机 感应同步器 电机控制系统 System Generator FPGA系统设计
分类号: TM359.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 41次
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内容摘要


以有限转角直流无刷力矩电机作为执行电机,选用感应同步器作为位置传感器组成的电机伺服系统具有出力大、频带宽、力矩波动小、定位精度高、体积小、重量轻等特点,实现高可靠性驱动,大量地应用在空间遥感相机的扫描机构中,在有限角度内对负载进行直接驱动。本文以研究项目“空间指向、扫描运动机构控制的关键技术研究”为背景,根据其实际工程的需要,设计一个基于FPGA的有限转角直流无刷力矩电机控制系统。本论文首先介绍有限转角直流无刷力矩电机的组成结构和基本原理,在这基础上分析其数学模型,得出电机的传递函数。对感应同步器的工作原理进行介绍,详述其常用的单相激磁双相输出鉴幅工作方式与双相激磁单相输出鉴相工作方式,并分析其优缺点。在提出系统控制方案后,对控制算法与速度检测方案进行分析,然后利用System Generator软件对电机系统进行仿真,根据电机的数学模型建立电机的仿真模型,构建控制器模型对电机模型进行控制,详细介绍各模块的组成原理,并分析双闭环PI控制模式对电机控制系统性能的影响,为FPGA设计时PI调节器的比例参数与积分参数的选定、乘法器的输出位宽对系统的影响提供参考。根据系统设计方案,介绍系统硬件电路模块,开发了控制器的FPGA设计,利用VHDL语言实现了PWM输出模块、PI调节器模块、SPWM信号产生模块、角度整合模块、速度检测模块、RS-422通讯模块等功能。最后根据其工作模式对系统进行相关测试实验,给出实验结果并进行分析,表明该电机控制器实现了系统的功能要求,测角传感器精度为士13.56”,最终测试定位精度达到士13.86”,响应时间小于2s,匀速运动稳定,稳速精度优于6%,均方根误差均<2%,具有较好的动态和静态性能。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章 绪论  12-18
  1.1 课题研究背景  12-14
  1.2 有限转角直流无刷力矩电机的发展现状  14-16
  1.3 感应同步器的发展现状  16-17
  1.4 论文的主要研究内容  17-18
第2章 电机与感应同步器的基本原理  18-26
  2.1 有限转角直流无刷力矩电机的基本原理  18-22
    2.1.1 有限转角直流无刷力矩电机分类  18-19
    2.1.2 有限转角直流无刷力矩电机的基本原理  19-21
    2.1.3 数学模型  21-22
  2.2 感应同步器的基本原理  22-25
    2.2.1 感应同步器的分类与原理  22-23
    2.2.2 感应同步器的工作方式  23-25
  2.3 本章小结  25-26
第3章 系统控制方案及仿真  26-40
  3.1 有限转角直流无刷力矩电机的控制方案  26
  3.2 有限转角直流无刷力矩电机的控制策略  26-29
  3.3 系统实现方案  29-30
  3.4 速度检测方案  30-32
  3.5 System Generator平台仿真  32-39
    3.5.1 System Generator简介  32-33
    3.5.2 模型建立  33
    3.5.3 闭环PI控制系统模型  33-34
    3.5.4 PWM输出与电压解析模型  34-36
    3.5.5 电机本体模型  36-37
    3.5.6 仿真结果  37-38
    3.5.7 电流环验证  38-39
  3.6 本章小结  39-40
第4章 系统硬件设计  40-49
  4.1 系统硬件总体框架  40-41
  4.2 系统硬件电路设计  41-48
    4.2.1 电源电路  41
    4.2.2 电机驱动电路  41-42
    4.2.3 电流采集电路  42-44
    4.2.4 测角系统电路  44-47
    4.2.5 RS-422接口电路  47-48
  4.3 本章小结  48-49
第5章 FPGA系统设计  49-66
  5.1 FPGA简介  49-51
    5.1.1 FPGA芯片概述  49
    5.1.2 FPGA开发流程  49-51
  5.2 FPGA内部逻辑设计  51-65
    5.2.1 PWM模块  51-53
    5.2.2 AD976A时序模块  53-55
    5.2.3 SPWM信号产生模块  55-57
    5.2.4 AD2S80A时序模块  57-58
    5.2.5 角度整合模块  58-59
    5.2.6 RS-422通讯模块  59-60
    5.2.7 工作模式选择模块  60-61
    5.2.8 速度检测模块  61-64
    5.2.9 PI调节器模块  64-65
  5.3 本章小结  65-66
第6章 系统测试及实验结果  66-73
  6.1 系统参数与实验平台  66-67
  6.2 系统测试  67-72
    6.2.1 定位功能测试  67-69
    6.2.2 补偿功能测试  69-72
  6.3 本章小结  72-73
第7章 总结与展望  73-76
  7.1 总结  73-74
  7.2 展望  74-76
参考文献  76-79
在学期间学术成果情况  79-80
指导教师及作者简介  80-81
致谢  81

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 特殊电机 > 力矩电机（力矩马达）
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