基于FPGA的永磁同步电机伺服系统的设计

论文摘要

永磁同步电机伺服系统是集电机制造技术、电力电子技术、自动控制技术和检测技术于一体的产物,在数控领域有着广泛的应用。本课题对伺服系统控制器的硬件实现进行了深入的研究,为开发一款高性能伺服控制器,本课题设计了SPWM控制器、电流矢量变换器和位置速度计算模块,以及相应基础组件IP核,包括乘法器、除法器、CORDIC协处理器和PI调节器。本课题的研究成果对开发高性能伺服系统芯片具有重要意义。首先,绪论部分结合相关文献,介绍了课题的来源及研究的目的和意义,回顾伺服系统的发展历程和前景,重点论述了电机控制技术的现状和研究热点。其次,在理解永磁同步电机的内部结构和工作原理的基础上,推导出电机的数学模型并比较了电机的几种控制策略,结合当前电机控制领域较为成熟的正谐脉宽调制(SPWM)技术,选择电压矢量控制并采用正弦脉宽调制方式实现永磁同步电机的控制。本课题在电压矢量控制的基础上,在FPGA上设计了伺服芯片的逻辑电路,论述了它们的实现步骤和相应的仿真结果,并概要介绍了伺服系统的硬件设计。最后对伺服系统的性能进行了测试和分析,进一步验证了本课题所取得的一些研究成果。结论部分总结了课题的研究工作和后续工作展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 永磁同步电机伺服系统发展概括
• 1.2.1 永磁同步电机伺服系统的发展概括
• 1.2.2 国内外永磁同步电机控制技术的发展概括
• 1.3 基于FPGA开发伺服系统概括
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机控制原理
• 2.1 前言
• 2.2 永磁同步电机内部结构及工作原理
• 2.3 永磁同步电机数学模型
• 2.3.1 永磁同步电机在静止UVW坐标系下的模型
• 2.3.2 永磁同步电机在静止αβ坐标系上的模型
• 2.3.3 永磁同步电机在旋转dq 坐标系上的模型
• 2.4 永磁同步电机的控制策略
• 2.4.1 永磁同步电机的控制策略
• 2.4.2 永磁同步电机电压矢量控制
• 2.4.3 脉宽调制技术
• 2.5 正弦脉宽调制
• 2.6 本章小结
• 第3章 伺服系统芯片设计的基础算法
• 3.1 FPGA开发流程
• 3.2 二进制符号数乘法器
• 3.3 二进制无符号数除法器
• 3.3.1 无符号整数除法器
• 3.3.2 无符号定点小数除法器
• 3.4 CORDIC协处理器
• 3.4.1 CORDIC理论基础
• 3.4.2 CORDIC协处理器的IP核逻辑电路
• 3.5 PI调节器
• 3.6 本章小结
• 第4章 伺服系统的整体设计
• 4.1 前言
• 4.2 硬件电路的设计
• 4.2.1 伺服系统开发平台
• 4.2.2 逆变器主电路
• 4.2.3 整流电路
• 4.2.4 光电隔离电路
• 4.2.5 检测电路
• 4.3 伺服系统芯片的设计
• 4.3.1 伺服系统芯片整体设计
• 4.3.2 SPWM控制器
• 4.3.3 坐标变换模块
• 4.3.4 位置和速度计算模块
• 4.3.5 采样序列模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 伺服系统性能测试
• 5.1 测试仪器及测试方案
• 5.2 伺服系统性能测试
• 5.2.1 PWM信号生成测试
• 5.2.2 电压电流波形测试
• 5.2.3 位置转速测试
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢