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

论文摘要

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。

论文目录

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