基于FPGA的无刷直流电机驱动控制系统设计与实现

论文摘要

无刷直流电机因其所具有的良好调速性能、简单的控制方法、超高的功率密度以及其在中小功率电机中所表现出来的效率优势，而备受业界广泛关注。论文通过分析电机驱动控制系统的发展及现状，以无刷直流电机为控制对象，设计和实现了一种以FPGA为控制核心的无刷直流电机驱动控制系统。文中首先简单介绍了无刷直流电机、电机控制器以及驱动器的发展及现状，系统地论述了无刷直流电机的工作原理、控制系统结构及数学模型，并在Matlab/simulink环境下建立了以PI为控制器的无刷直流电机转速、电流双闭环驱动控制系统仿真模型，在此基础上，对系统进行了仿真分析。然后设计了以FPGA芯片XC3S250E作为控制电路核心、以智能功率模块（IPM）作为逆变电路核心的系统硬件电路；基于制作的系统硬件平台，采用模块化编程思想将系统总体任务分成速度采样、电流采样、换相控制、PWM调制、通信模块、人机交互及数字PI控制器等几个功能模块，使用VHDL语言对各个功能模块的实现进行了详细描述，并在Modelsim下对其进行仿真验证。最后在该控制系统上实现了对无刷直流电机的双闭环控制实验，并给出了实验波形，实验结果验证了所设计控制系统的正确性和可行性。基于FPGA的无刷直流电机驱动控制系统，适应了电机驱动控制向数字化、模块化方向发展的趋势，提供了更灵活的软硬件方案，并大大降低了控制系统成本，具有较高的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电机驱动控制系统概述
• 1.1.1 电机驱动控制系统的基本结构
• 1.1.2 电机控制器的发展及现状
• 1.1.3 电机驱动器的发展及现状
• 1.1.4 无刷直流电机的发展及现状
• 1.2 FPGA 概述
• 1.2.1 FPGA 的发展及现状
• 1.2.2 FPGA 在电机驱动控制系统中的应用
• 1.3 选题背景及意义
• 1.4 本文主要研究内容及结构安排
• 第二章 无刷直流电机工作原理及驱动控制系统研究
• 2.1 无刷直流电机控制系统结构
• 2.2 无刷直流电机工作原理
• 2.3 无刷直流电机数学模型
• 2.4 无刷直流电机驱动控制系统
• 2.5 无刷直流电机驱动控制系统仿真
• 2.5.1 PID 控制器原理
• 2.5.2 系统仿真及结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 系统硬件电路设计
• 3.1 系统硬件电路总体架构设计
• 3.2 功率电路设计
• 3.2.1 整流及逆变电路
• 3.2.2 故障保护电路
• 3.3 控制电路设计
• 3.3.1 FPGA 器件选型
• 3.3.2 FPGA 最小系统设计
• 3.3.3 霍尔信号接口电路
• 3.3.4 A/D 转换电路
• 3.3.5 电流采样调理电路
• 3.3.6 电平转换电路
• 3.3.7 通信接口电路
• 3.3.8 人机交互电路
• 3.3.9 报警电路
• 3.4 PCB 抗干扰设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 基于FPGA 的数字系统设计
• 4.1.1 FPGA 开发工具
• 4.1.2 FPGA 设计流程
• 4.2 系统主程序结构设计
• 4.3 功能模块设计
• 4.3.1 速度采样
• 4.3.2 电流采样
• 4.3.3 换相控制
• 4.3.4 PWM 调制
• 4.3.5 通信模块
• 4.3.6 人机交互
• 4.3.7 数字PI 控制器
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统调试
• 5.1 硬件调试
• 5.2 软件调试
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录：控制电路原理图