基于SOPC的直流无刷电机控制系统设计

论文摘要

电力电子技术、电机控制技术和嵌入式系统设计技术的发展为电机控制系统的进步提供了强大的动力。与经常应用在电机控制中的有刷电机相比,直流无刷电机以电子换向代替电刷机械换向,提高了电机的寿命和控制系统的稳定性,而SOPC(System On a Programmable Chip)技术使得在一片系统芯片上实现复杂的控制功能成为可能,电力电子器件的应用大大减小了控制系统的体积,综合以上特点使得这种控制系统在工业和民用甚至在伺服领域中都呈现出良好的应用前景。在这些背景下,本文介绍了直流无刷电机的工作原理,研究了直流无刷电机的PWM调制方式,实现了基于SOPC技术的直流无刷电机控制系统的硬件和软件设计。其中硬件系统包括以FPGA为核心的控制电路和用于电机驱动的三相全桥逆变电路,对FPGA及其外围设备的选择和逆变电路的设计做了大量研究工作。软件设计包括在ISE中用VHDL语言生成的位置检测模块、电机控制模块和PID调节器的IP核以及在EDK中实现的微处理器内核和外围IP核的定制和控制软件的设计。重点对在FPGA中用数字逻辑电路实现PID调节器做了一些探讨。本文针对逆变电路的工作方式,运用PWM调制技术,做了全桥调制和半桥调制实验,并对实验结果进行了分析。实验表明,本无刷直流电机控制系统运行性能良好,调试方便,开关噪音小,升级换代容易,为后续的研究工作提供了基础和借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 直流无刷电机的发展概述与研究现状
• 1.3 SOPC设计技术
• 1.3.1 SOC技术
• 1.3.2 SOPC技术
• 1.3.3 IP核
• 1.3.4 嵌入式系统
• 1.4 课题的主要内容
• 第2章 直流无刷电机的基本原理及系统构成
• 2.1 直流无刷电机的基本原理
• 2.2 直流无刷电机控制系统设计
• 2.3 直流无刷电机 PWM调制方式研究
• 2.3.1 PWM调制方式分类
• 2.3.2 PWM调制方式对电枢电流的影响
• 2.3.3 直流无刷电机PWM调制方式的改进
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 硬件设计
• 3.2 控制电路模块结构描述
• 3.2.1 电源供给模块
• 3.2.2 AD转换模块
• 3.2.3 串口通讯模块
• 3.2.4 SRAM存储器模块
• 3.2.5 FPGA核心控制模块
• 3.3 马区动电路模块结构描述
• 3.3.1 隔离电路模块
• 3.3.2 驱动电路模块
• 3.3.3 三相全桥逆变电路模块
• 3.3.4 电流检测模块
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 系统开发工具简介
• 4.2 系统任务描述和功能划分
• 4.3 IP核模块结构描述和仿真
• 4.3.1 位置检测模块结构描述和仿真
• 4.3.2 电机控制模块结构描述和仿真
• 4.4 PID调节器的设计
• 4.4.1 数字PID控制算法
• 4.4.2 运算数的浮点表示
• 4.4.3 在 FPGA中实现 PID算法
• 4.5 SOPC下的嵌入式系统设计
• 4.5.1 Microblaze微处理器内核定制
• 4.5.2 嵌入式系统硬件定制
• 4.5.3 软件算法实现
• 第5章 系统调试和实验结果
• 5.1 系统运行环境
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 位置反馈信号波形检测
• 5.2.2 半桥调制波形分析
• 5.2.3 全桥调制波形分析
• 5.3 电机起动运行检测
• 5.4 实验分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历