基于FPGA的交流伺服系统电流环设计

摘要

随着现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术的不断进步,基于FPGA的伺服驱动技术凭借运行速度快、接口灵活、可移植性好等优势,逐渐得到越来越多的关注。本文在深入分析国内外研究文献的基础上,以提升制约伺服系统响应速度的电流环控制性能为目标,研究了基于FPGA的伺服系统硬件电流环设计方法。
　　本文首先介绍了交流永磁同步电机的数学模型及矢量控制的基本原理,在此基础之上对电流解耦控制方法进行了分析,根据实际应用对复矢量电流调节器进行了改进,在MATLAB/SIMULINK环境中进行了仿真研究。
　　其次对Altera公司的CycloneII系列FPGA的芯片结构进行了简要介绍,对基于FPGA的伺服系统硬件设计进行了阐述,其中重点介绍了FPGA的供电电路及配置电路设计。
　　通过分析基于QuartusII的FPGA软件设计开发流程,详细介绍了基于FPGA的伺服系统电流环矢量解耦控制的模块设计方法及思路,包括时序规划模块、矢量变换模块、电流调节器模块、空间矢量PWM模块、电流传感器接口模块、编码器反馈信号处理模块等,并给出了部分模块的时序仿真结果。
　　本文对基于FPGA的多轴同步电机电流环控制方法展开了分析,提出了一种基于流水线结构的多轴同步电机电流环控制时序调度方案,能够在不增加运算资源的情况下缩短多轴电流环控制运算时间,并对方案进行了详细介绍。
　　最后,给出了本文所设计的基于FPGA的伺服系统电流环控制电路的实验结果,与传统的基于DSP软件的伺服驱动装置的响应性能进行了对比,验证了FPGA的优势,并对复矢量解耦控制算法的实验结果进行了分析。

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1 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

2 永磁同步电机矢量解耦控制原理

2.1永磁同步电机数学模型

2.2永磁同步电机磁场定向矢量控制

2.3永磁同步电机电流解耦控制方法

2.4基于MAT LAB/SIM ULINK的PMSM控制仿真研究

3 基于FPGA的伺服系统硬件电路

3.1A ltera公司的Cycl oneII系列FPGA

3.2基于DSP+FPGA的伺服驱动装置硬件设计

4 基于FPGA的伺服系统电流环控制实现

4.2时序规划模块

4.3矢量变换模块

4.4电流调节器模块

4.5空间矢量PWM模块

4.6电流传感器接口模块

4.7编码器反馈信号处理模块

5 基于FPGA的多轴同步电机电流环控制

5.1多轴同步电流环控制方法分析

5.2基于流水线结构的多轴调度方案

6.1基于FPG A的电流环控制实验结果及分析

6 实验结果及分析

6.2复矢量电流解耦控制实验结果及分析

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录I（攻读学位期间发表论文目录）

附录II （实验装置图）