基于FPGA的永磁无刷直流电动机驱动控制系统的研究

摘要

传统的交流伺服驱动系统采用模拟器件实现,不可避免的存在温漂、老化等问题,已逐渐被数字系统所取代.永磁同步电动机由于功率密度大,转矩/惯量比大,无电刷和噪音低等优点,成为目前应用最多的高性能交流伺服电动机.本课题以研制台湾宝成集团电动缝纫机用高性能交流伺服系统为工程背景,提出一种基于FPGA的新型的全数字永磁同步电动机驱动控制系统架构,并对此系统的一些关键问题进行了研究.论文首先利用ANSOFT电机集成软件包进行了电动缝纫机用永磁同步电动机的设计,在此基础上建立了相应电机系统数学模型,探讨了电机系统矢量控制方法,提出了一种基于FPGA结构的全数字驱动控制系统.该系统最大的特点是结构灵活、有较强的通用性,适于模块化设计,从而能够提高算法效率;同时开发周期短,系统易于维护和扩展.其次,在对电压空间矢量脉宽调制的原理进行深入分析的基础上,采用Altera的ACEX1K系列FPGA器件,应用现代EDA技术,对SVPWM数字化的脉宽调制方法的实现进行了研究.实现了基于FPGA的空间矢量脉宽调制电路的设计.最后,设计了基于FPGA架构的永磁同步电动机伺服系统.系统采用光电编码器作为转子位置传感器,采用由IR2137集成驱动芯片驱动的IGBT功率模块构成三相桥式电压型逆变器.由IR2175电流传感器完成闭环控制中的电流的检测,用Verilog-HDL语言编写了电流采样、坐标变换、PI调节和空间矢量脉宽调制等IP模块,实现了基于FPGA的永磁同步电动机的矢量控制,并给出了相应仿真实验结果.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景及选题的意义

1.2国内外在该方向的研究现状及趋势

1.2.1国外永磁无刷直流电动机的发展状况

1.2.2国内永磁无刷电动机的发展状况

1.2.3永磁无刷电动机的发展趋势

1.2.4现代可编程逻辑器FPGA的发展状况

1.2.5 FPGA在永磁无刷电动机系统中的应用

1.3基于FPGA的永磁无刷直流电动机系统的几个关键问题

1.3.1永磁无刷直流电动机的设计及数学模型

1.3.2基于FPGA的电压空间矢量脉宽调制的集成设计

1.3.3基于FPGA的永磁无刷直流电动机矢量控制系统设计

1.4论文的主要研究内容及结构安排

第2章永磁无刷直流电动机的模型及控制

2.1引 言

2.2基于ANSOFT设计平台的永磁无刷直流电动机的设计

2.2.1永磁无刷电动机的额定数据

2.2.2永磁无刷直流电动机设计结果

2.3永磁无刷直流电机系统的数学模型

2.4永磁无刷直流电动机的矢量控制

2.5本章小结

第3章基于FPGA的电压空间矢量集成设计

3.1引言

3.2电压空间矢量的原理

3.3电压空间矢量的方法

3.4电压空间矢量的调制算法

3.4.1扇区判别的方法

3.4.2主辅矢量、零矢量的作用时间

3.4.3过调制的校正

3.5基于FPGA编程语言(Verilog-HDL)的SVPWM设计与实现

3.5.1硬件描述语言Verilog HDL的设计方法

3.5.2基于FPGA实现SVPWM集成设计

3.5.3用FPGA实现SVPWM的优缺点

3.6本章小结

第4章基于FPGA的永磁无刷直流电动机矢量控制系统设计

4.1引言

4.2基于FPGA永磁无刷直流电动机系统的结构

4.3基于FPGA的PMSM矢量控制系统的设计

4.3.1硬件电路设计

4.3.2几种坐标变换的算法及PI调节器

4.4基于Matlab/Simulink的系统仿真

4.4.1基于Matlab/Simulink的PMSM仿真模型

4.4.2系统仿真实验

4.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢

个人简历