基于FPGA的高精度交流伺服系统研究文档格式.doc
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2007年2月6日
AThesisSubmittedinPartialofFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
ResearchonHighPrecisionACServoSystemBasedonFPGA
Candidate:
ZhengLu
Major:
ElectricMachineandApparatus
Supervisor:
Prof.HuangShenghua
HuazhongUniversityofScience&
Technology
Wuhan430074,P.R.China
Feb.,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“√”)
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matlab7.0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EP1C12Q240C8FPGA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QuartusⅡ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QuartusⅡ软件中的SignalTapⅡ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,FPGA
53
Abstract
Underthedevelopmentofmotortechnology,modernpowerelectronics,microelectronicstechnology,controltechnologyandcomputertechnology,ACservodrivetechnologyhaspromotedgreatprogress.Aspermanentmagnetsynchronousmotorhasthemeritsoflowelectromagnetictorqueripplecoefficient,stableoperation,rapidthedynamicresponse,highreliability,permanentmagnetsynchronousmotorservosystemhasgraduallybecomethemainstreamofACservosysteminthehigh-precision,high-performanceservodrivefield.
Thispaperintroducedtheconception,composition,developmentandapplicationoftheservosystem,aswellasthebasicrequirementsofit.ThenitderivedamathematicalmodelofPMSMtoanalyzeitstimeandspacevectormap.Themagneticfieldorientedvectorcontrolmethodsarepromotedhereinaccordancewiththeactualsituation.
Thenthepapersuppliedadetailedanalysisofthesinglepowersupplyamplifiedcircuit,providedthemethodofthewiringandcircuitdesignoflinearamplifier,comparedwiththedualpowersupplyamplificationcircuit,gavethewaveformofthesimulationandexperimentalresults.
InChapter4,amethodoftheformationofvelocitycurvewasgiven.ThemethodsofinitialrotorpositiondetectionforPMSMusingincrementalencoderarediscussed.Threebasicalgorithmofmeasuringspeedisgiven,andAdvantagesanddisadvantagesofmethodswereindicated.
Chapter5introducedthecharacteristicofstructureofCycloneseriesEP1C12Q240C8FPGA.Andithasprovidedadetaileddescriptionofthehardwaredesignbasedontheactualsystem.
Chapter6introducedtheFPGAdevelopmentprocess,describedadetaileddesignmethodandideaofeachmoduleandproposedafour-frequencycircuitdesigningmethodbasedonFPGA.QuartusIIwasutilizedtosimulatethetimingofeachmodule.Andthesimulationwaveformwasshownhere.
Finally,anexperimentwascarriedoutbyPMSM,thevoltageandcurrentwaveformswererecordedandanalyzed.WealsousedtheSignalTapIIinQuartusIItomeasurethevelocitywaveformdirectly.
Keywords:
servosystem,PMSM,vectorcontrol,linearamplification,FPGA
目录
摘要 I
Abstract II
1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)
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
5.1FPGA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VerilogHDL的FPGA设计
6.1FPGA开发流程和常用软件 (38)
6.2VerilogHDL简介 (40)
6.3FPGA设计 (40)
7实验结果 (47)
全文总结 (50)
致谢 (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
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- 基于 FPGA 高精度 交流 伺服系统 研究