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基于DSP+FPGA的永磁同步电动机伺服驱动器研究

作　者: 凌刚
导　师: 陈其工
学　校: 安徽工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 交流伺服 PMSM DSP FPGA SVPWM PI
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 541次
引　用: 3次
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内容摘要

交流永磁同步电机(PMSM)由于高转矩、低损耗、脉动小、电气时间常数小等物理特点,使其成为高精数控加工的最佳执行机构。近年来DSP芯片价格不断下降,特别是电机控制专用DSP芯片的出现,为交流伺服系统的全数字化提供了硬件支持。FPGA的运用节约了CPU的大量时间和资源,提高了系统的性能。首先介绍了交流伺服系统的组成、调速方案、控制策略及其发展现状与趋势。在推导永磁同步电机数学模型的基础上介绍了电压空间矢量控制方法。然后设计了三闭环控制器,对位置环、速度环和电流环采用了经典的PI控制策略,并利用MATLAB／SIMULINK进行了仿真,验证其设计的可行性和正确性。之后对硬件设计进行了详细的介绍,系统采用DSP+FPGA+IPM结构。此结构使DSP.FPGA和IPM充分发挥各器件的优势,同时在性能上还可互相弥补各自的不足。IPM功率模块完成驱动、芯片级保护。DSP采用TI公司的TMS320LF2407A芯片,交流伺服控制算法实现和串行总线的信息交互由DSP完成。FPGA完成对霍尔信号的检测、码盘信号的读取、键盘的扫描、显示器的动态刷新、保护信号的处理等功能。高速、周期性强的信号由FPGA实现,节省了DSP大量时间,提高了整个系统的效率。最后,对本文的设计结果在实验室的实验设备上进行了实际验证,实验结果证明本文的设计结果良好。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题的目的和意义  10-11
  1.2 交流伺服电机控制技术发展综述  11-16
    1.2.1 交流伺服系统的简介  11-12
    1.2.2 交流伺服电机的调速方案和控制策略  12-15
    1.2.3 交流伺服系统的发展现状和趋势  15-16
  1.3 本文研究的主要内容  16-18
第2章永磁同步电机的矢量控制算法研究  18-33
  2.1 永磁同步电机的结构  18-19
  2.2 坐标变换  19-20
  2.3 永磁同步电机的数学模型  20-23
    2.3.1 A-B-C坐标系下永磁同步电机的数学模型  21-22
    2.3.2 α-β坐标系下永磁同步电机的数学模型  22
    2.3.3 d-q坐标系下永磁同步电机的数学模型  22-23
  2.4 矢量控制方法  23-28
    2.4.1 i_d=0控制原理  25
    2.4.2 i_d=0控制实现  25-28
  2.5 电压空间矢量脉宽调制  28-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章永磁同步电机伺服系统设计与仿真  33-46
  3.1 永磁同步电动机伺服系统设计  33-34
  3.2 电流调节器的设计  34-35
  3.3 速度调节器的设计  35-37
  3.4 位置调节器的设计  37-38
  3.5 基于SVPWM矢量控制的伺服系统组成及仿真  38-45
    3.5.1 SVPWM子模块的仿真模型设计  38-41
    3.5.2 系统整体仿真  41-43
    3.5.3 永磁同步电机交流伺服系统仿真结果  43-45
  3.6 本章小结  45-46
第4章永磁同步电机的伺服控制硬件设计  46-58
  4.1 伺服系统硬件的总体设计  46-47
  4.2 主功率电路设计  47-51
    4.2.1 逆变电路  47-48
    4.2.2 电压检测与保护电路  48-50
    4.2.3 电源电路  50-51
      4.2.3.1 驱动电源电路  50-51
      4.2.3.2 控制电源电路  51
  4.3 DSP系统电路设计  51-53
    4.3.1 DSP外围电路  52-53
      4.3.1.1 时钟电路  52
      4.3.1.2 复位电路  52
      4.3.1.3 通信接口电路  52-53
  4.4 FPGA系统电路设计  53-57
    4.4.1 EP1K30-144概述  53
    4.4.2 方向脉冲接口电路  53-54
    4.4.3 位置、速度检测电路  54
    4.4.4 电流采样电路  54-55
    4.4.5 过流保护电路  55-56
    4.4.6 AD转换电路  56-57
  4.5 DSP与FPGA总线接口电路  57
  4.6 本章小结  57-58
第5章永磁同步电机伺服系统的软件设计  58-70
  5.1 软件的总体设计方案  58
  5.2 DSP系统软件设计  58-66
    5.2.1 主程序设计  58
    5.2.2 中断子程序  58-65
      5.2.2.1 定时器T1中断子程序  59-63
      5.2.2.2 保护中断子程序  63
      5.2.2.3 XINT2中断子程序  63-64
      5.2.2.4 SCI中断子程序  64-65
    5.2.3 电机的初始角度初始化  65-66
  5.3 FPGA系统软件设计  66-69
    5.3.1 接口模块设计  66-67
    5.3.2 A/D控制模块设计  67-68
    5.3.3 码盘信号处理  68-69
  5.4 本章小结  69-70
第6章系统实验  70-73
  6.1 实验系统介绍  70
  6.2 系统实验结果  70-73
结论与展望  73-75
参考文献  75-79
攻读学位期间发表的学术论文  79-80
致谢  80

基于DSP+FPGA的永磁同步电动机伺服驱动器研究

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