基于FPGA的高精度交流伺服系统研究硕士研究生学位论文.doc
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1、硕士学位论文基于FPGA的高精度交流伺服系统研究A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch on High Precision AC Servo System Based on FPGA Candidate:Zheng LuMajor:Electric Machine and ApparatusSupervisor:Prof. Huang ShenghuaHuazhong University of Science
2、& 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,除文中已标明引用的内容外,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 日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
3、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,在_年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名: 指导教师签名: 年 月 日 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
4、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matlab 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
5、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Quartus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软件中的SignalTap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,FPGA58AbstractUnder the development of motor technology, modern power electronics, microelectronics technology, control technology and co
6、mputer technology, AC servo drive technology has promoted great progress. As permanent magnet synchronous motor has the merits of low electromagnetic torque ripple coefficient, stable operation, rapid the dynamic response, high reliability, permanent magnet synchronous motor servo system has gradual
7、ly 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
8、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 amplifi
9、er, compared with the dual power supply amplification circuit, gave the waveform of the simulation and experimental results.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 bas
10、ic algorithm of measuring speed is given, and Advantages and disadvantages of methods were indicated. Chapter 5 introduced the characteristic of structure of Cyclone series EP1C12Q240C8 FPGA. And it has provided a detailed description of the hardware design based on the actual system. Chapter 6 intr
11、oduced 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 c
12、arried 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, FPGA目 录摘要IAbstractII1 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)
13、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6.1 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(
14、51)参考文献(52)附录 攻读硕士学位期间发表的论文(56)1 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
15、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,伺服系统主要由三部分组成: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:图1-1 伺服系统方框图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
16、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 交流伺服系统的应用及发展伺服系统服务的对象种类繁多,如机器人手臂各关节的运动控制,仿型铣床与被加工工件之间相对运动轨迹的控制,跟踪雷达天线俯仰角、方位角的自动控制、电动控制阀门的位置控制、计算机的磁盘、光盘的驱动控制等,都需要伺服系统。伺服系统应成为所服务对象的有机组成部分,尽管各对象的机械结构、传动形式多种多样,对伺服系统的要求也有差别,但共同的一点是带动对象按需要的规律作机械运动2。自20世纪80年代后期以来,
17、随着现代工业的快速发展,对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求,研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果,“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能,改进电机结构,提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”;采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能,以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响;采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄
18、动的自适应能力;在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力;基于智能控制的电机参数和模型识别,以及负载特性识别。1.1.3 对伺服系统的基本要求工程上对伺服系统的技术要求很具体,由于系统所服务的对象不同、用途不同,因而对系统的要求也有差别。但可以将技术要求归纳成以下几个方面:1精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。2稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下,能在短暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态。3快速响应。快速响应是伺服系统动态品质的重要指标,它反映了系统的跟踪精度。4调速范围宽。调速范围是指生产机械要
19、求电机能提供的最高转速和最低转速之比。5低速大转矩。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制,在整个速度范围内都要保持这个转矩;主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制,能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制,具有足够大的输出功率。1.2 永磁同步电机近10年来,永磁同步动机性能快速提高,与感应电动机和普通同步电动机相比,其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。1.2.1 永磁同步电机的发展及应用美国GE公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动机,德国西门子公司自五十年代开始经过十年
20、多,研究出各种不同用途、性能良好的永磁同步电动机,七十年代后期就生产出了30千瓦的电机。日本明电舍公司在六十年代后期就已有永磁同步电动机的系列产品供应。日立公司在七十年代就研制出高速的永磁同步电动机。我国自七十年代后期也陆续研制出多种结构的永磁同步电动机。目前,永磁电机的输出功率可以做到大至1000kw以上,小至毫瓦级,不仅覆盖了微、小及中型电机的功率范围,且延伸到了大功率领域。八十年代以来,永磁同步电机以其高转矩惯量比、高能量密度和高效率等优异性能,在中小容量范围内获得了广泛应用。当前,永磁电机在军事上的应用是绝对占优势的,几乎取代了所有电磁电机。永磁电机在工、农商、建筑、医药、旅游、金融业
21、以及日常生活中的应用也越来越广。如汽车电机现以永磁电机为主;数控和精密机床也大量应用永磁电机;信息产业中永磁电机的应用面广、类型多、量大;家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少,如空调已开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机,洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。1.2.2 永磁同步电动机的分类按磁通分布的不同,永磁同步电机分为正弦波电流驱动的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor)和方波电流驱动永磁同步电机(Brushless DC Motor)。两者有很多相似之处:转子皆有磁钢,定子通以对称交流电才能产生转矩;它们之间最大的区别
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