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基于FPGA的高精度交流伺服系统研究.docx

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    • 基于FPGA的高精度交流伺服系统研究分类号学校代码学号密级硕士学位论文基于FPGA的高精度交流伺服系统研究学位申请人:郑璐学科专业:电机与电器指导教师:黄声华教授答辩日期:2007年2月6日A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch on High Precision AC Servo System Based on FPGACandidate: Zheng Lu Major:Electrie Machine and ApparatusSupervisor: Prof. Huang ShenghuaHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P. R. ChinaFeb., 2007独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知,除文中r标明引用的内容外,本论文不包含任何其他人或集体已经发表或 撰写过的研究成果。

      对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名:年 月曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅本人授权华中 科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密口,在 年解密后适用本授权书本论文属于V不保密口请在以上方框内打“)学位论文作者签名:指导教师签名:年 月曰年 月 日摘要随着电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展, 交流伺服驱动技术取得了很大的进步由于永磁同步电机有着电磁转矩纹波系数小、运行 平稳、动态响应快、可靠性高等优点,在高精度、高性能要求的伺服驱动领域,永磁同步 电机伺服系统已逐渐成为交流伺服的主流本文首先介绍了伺服系统的概念和组成、发展和应用及基本要求,然后推导出永磁同步 电机的数学模型,分析其空间矢量图及时间向量图,并根据实际情况提出了按励磁磁场定 向的矢量控制方法接着本文对单电源供电的线性放大电路进行了详细分析,给出了线性放大电路的接线方 法和电路设计方法,和双电源供电放大电路作了比较,并给出了仿真波形和实验结果。

      在第四章,介绍了一种速度曲线生成的方法,并给出由mat lab 7.0生成的曲线波形 然后结合实际使用的混合式光电编码器,介绍了位置检测的方法,并描述了三种基本的速 度检测算法,指出了各方法适用的场合及优缺点第五章介绍了 Cyclone系列EP1C12Q240C8 FPGA芯片的结构特点,并根据实际系统对系 统硬件设计作了详细的阐述第六章介绍了 FPGA的开发流程,详细描述了各模块的设计方法及思路,提出了一种基 于FPGA的四倍频电路的实现方法,并用QuartusII对各模块做了时序仿真,并给出仿真波 形最后用永磁同步电机对该系统做了实验,记录并分析了电压以及电流波形,且用用 Quartus II软件中的SignalTap II直接测出了速度波形关键词:伺服系统,永磁同步电机,矢量控制,线性放大,FPGAIAbstractUnder the development of motor* technology, modern power electronics, microelectronics technology, control technology and computer technology, AC servo drive technology has promoted great progress. As permanent magnet synchronous motor has the merits of low electromagrietic torque ripple coefficient, stable operation, rapid the dynamic response, high reliability, permanent magnet synchronous motor* servo system has gradually become the mainstream of AC servo system in the high-precision, high-performance servo drive field.This paper introduced the conception, composition, development and application of the servo system, as well as the basic requirements of it. Then it derived a mathematical model of PMSM to analyze its time and space vector map. The magnetic field oriented vector control methods are promoted here in accordance with the actual situation.Then the paper supplied a detailed analysis of the single power supply amplified circuit, provided the method of the wiring and circuit design of linear amplifier, compared with the dual power supply amplification circuit, gave the waveform of the Simulation and experimental resuIts.In Chapter 4, a method of the formation of velocity curve was given. The methods of initial rotor position detection for PMSM using incremental encoder are discussed. Three basic algorithm of measuring speed is given, and Advantages and disadvantages of methods were indicated.Chapter 5 introduced the characteristic of strueture of Cyclone series EP1C12Q240C8 FPGA. And it has provided a detailed description of the hardware design based on the actual system.Chapter 6 introduced the FPGA development process, described a detailed design method and idea of each module and proposed a four-frequency circuit designing method based on FPGA. Quartus II was utilized to simulate the timing of each module. And the Simulation waveform was shown here.Finally, an experiment was carried out by PMSM, the voltage and current waveforms were recorded and analyzed. We also used the SignalTap II in Quartus II to measure the velocity waveform directly.Keywords : servo system, PMSM, vector control, linear amplification, FPGAII目录摘要 IAbstract II 1绪论1. 1交流伺服系统 (1)1. 2永磁同步电机 (3)1. 3本文研究的主要内容 ....(6) 2同步电机矢量控制原理2.1永磁同步电机数学模型 (7)2. 3永磁同步电机控制策略 (11) 3线性放大电路3. 1线性放大电路结构分析 (15)3. 2单电源线性放大电路 (17) 4位置检测和速度计算4. 1速度曲线的生成 (24)4. 2位置检测 (27)4. 3速度计算 (29) 5基于FPGA的高精度交流伺服系统硬件设计5. 1 FPGA 简介 (31)5. 2伺服系统结构框图 (33)5. 3系统硬件设计 (34) 6 基于 Verilog HDL 的 FPGA 设计 III6. 1 FPGA开发流程和常用软件 (38)6.2 Verilog HDL 简介 (40)6. 3 FPGA 设计 (40) 7实验结果 (47)全文总结 (50)致谢参考文献 (52)附录攻读硕上学位期间发表的论文 (56) IV1绪论1. 1交流伺服系统1. 1. 1伺服系统的概念及组成伺服系统是以电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机 构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

      这类系统控制电动机的转 矩、转速和转角,将电能转换为机械能,实现运动机械的运动要求伺服系统是自动控制系统的一个分支,它是伴随电的应用而发展起来的,最早出现于20 世纪初1934年第一次提出了伺服机构(servomechanism)这个词,随着自动控制理论的发 展,到20世纪中期,伺服系统的理论与实践均趋于成熟,并得到广泛应用近几十年来 在新技术革命的推动下,特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步,伺服技术更 是如虎添翼、突飞猛进它的应用几乎遍及社会的各个领域[1]从基本结构来看,伺服系统主要由二部分组成:控制器、功率驱动装置、反馈装置和电 动机控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制 量;功率驱动装置作为系统的主回路,一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动 机之上,调节电动机转矩的大小,另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为 电动机所需的交流电或直流电;电动机则按供电大小拖动机械运转伺服系统方框图如下 图所示:反馈信号图1-1伺服系统方框图1一般闭环伺服系统为三环结构,即位置环、速度环和电流环其中电流环为最内环,响 应速度应最快,位置环为最外环,响应速度最慢。

      位置、速度和电流环均由调节控制模 块、检测和反馈部分组成电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成1. 1. 2交流伺。

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