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永磁同步直线电机伺服控制系统的FPGA软件模块设计与实现

作　者: 韦雄波
导　师: 艾武；陈幼平
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 永磁同步直线电机伺服控制器 FPGA 功能模块 SVPWM
分类号: TM359.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 96次
引　用: 1次
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内容摘要

直线电机是一种直接将电能转化成直线运动的新型传动装置,因其具有的高速高精性能,近年广泛用于高速、高精高档数控加工机床。伺服控制器是永磁同步直线电机的核心部件,其控制性能直接影响到整个系统的运行性能。FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一种半定制电路,它既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,目前广泛运用于各种控制场合。本文采用FPGA器件作为本直线电机伺服控制器的主芯片,并基于FPGA实现了该控制器的主要功能模块及其相应的控制功能。本文首先分析了永磁同步直线电机的结构,根据其基本原理和控制要求提出了基于FPGA的直线电机伺服控制系统整体框架图,将整个系统分成光栅尺速度位移测量模块、闭环控制模块、坐标变换模块和PWM模块等四个主功能模块。本文提出了基于插补的电机动子速度计算算法,速度准确性和实时性均有较大提高。本文基于FPGA采用经典PID控制器实现了位置环、速度环、电流环的控制,并基于FPGA采用SVPWM(Space Vector Plus Width Modulation)控制方法实现了对IPM模块输出电压的控制。最后,通过实验验证了各个FPGA软件模块的功能,并验证了该控制器在实际运行中具有良好的控制效果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-11
  1.1 课题来源  8
  1.2 研究目的和意义  8-9
  1.3 伺服控制系统发展趋势  9-10
  1.4 本文研究的主要内容  10-11
2 永磁同步电机控制系统结构  11-16
  2.1 永磁同步直线电机结构  11-13
  2.2 永磁同步直线电机控制器总体结构  13-15
  2.3 本章小结  15-16
3 坐标变换模块及其他相关模块设计  16-26
  3.1 恒功率变换条件  16-17
  3.2 静止三相/静止两相坐标变换（3S/2S 变换）模块  17-19
  3.3 静止两相/旋转两相坐标变换（2S/2R 变换）模块  19-20
  3.4 PID 控制模块的FPGA 设计及实现  20-22
  3.5 正余弦函数cordic 算法FPGA 实现  22-25
  3.6 本章小结  25-26
4 永磁同步直线电机速度反馈模块设计  26-34
  4.1 检测系统结构及设计  26-27
  4.2 四倍频和辨向模块  27-28
  4.3 位置和速度计算模块  28-33
  4.4 速度检测系统模块的FPGA 实现  33
  4.5 本章小结  33-34
5 永磁同步直线电机控制策略  34-43
  5.1 空间矢量控制策略原理  34-37
  5.2 空间矢量控制策略的FPGA 实现  37-42
  5.3 控制系统结构图  42
  5.4 本章小结  42-43
6 实验及数据分析  43-55
  6.1 CORDIC 算法及实现  44-45
  6.2 坐标变换模块  45-48
  6.3 速度检测模块设计及实验分析  48-52
  6.4 SVPWM 模块实验及结果分析  52
  6.5 电机开环、闭环实验及结果对比分析  52-54
  6.6 本章小结  54-55
7 总结与展望  55-57
  7.1 全文总结  55
  7.2 研究展望  55-57
致谢  57-58
参考文献  58-61
附录（攻读硕士学位期间发表论文与成果）  61

永磁同步直线电机伺服控制系统的FPGA软件模块设计与实现

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