基于DSP与FPGA的永磁同步电机位置伺服系统的设计与实现

摘要

随着现代工业技术的不断进步，交流永磁同步伺服系统得到了快速的发展，并广泛应用于数控机床、工业机器人等领域。以数字信号为基础的全数字永磁同步伺服系统，容易实现各种智能控制算法和高性能控制策略，已成为交流伺服系统的发展趋势。
　　本文的目的是研制一套基于DSP与FPGA的永磁同步电机位置伺服系统，为进一步的研究提供硬件和软件平台，未来可应用于航空航天、军工等高性能、高可靠性要求领域。
　　首先，本文介绍了交流永磁同步伺服系统的国内外发展概况和方向;基于矢量控制原理，建立了永磁同步电机的数学模型;采用经典控制理论，对电流环、速度环及位置环性能进行分析，并设计了调节器。
　　其次，基于仿真软件Matlab/Simulink，建立了采用转子磁链定向矢量控制策略和空间矢量脉宽调制技术的系统模型，并进行仿真验证，获得了比较满意的效果。
　　再次，设计了以DSP与FPGA为控制核心、以IGBT功率模块为功率变换装置的全数字交流伺服系统。在设计的硬件平台上，采用模块化编程思想进行软件设计。
　　最后，对系统进行调试，给出了主要试验波形，试验结果表明系统具有良好的动态和静态性能，验证了上述理论和仿真分析，为系统的深入研究和开发奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 交流永磁同步伺服系统的特点

1．3 交流永磁同步伺服系统国内外研究与发展概况

1．3．1 伺服系统发展历史

1．3．2 交流永磁同步伺服系统国内外研究概况

1．3．3 交流永磁同步伺服系统的最新研究动向

1．4 本文的主要研究内容

第二章 永磁同步电机数学模型、控制策略及电流控制方法

2．1 永磁同步电机基本结构与分类

2．2 永磁同步电机的数学模型

2．3 永磁同步电机控制策略

2．3．1 矢量控制

2．3．2 直接转矩控制

2．3．3 两种控制方案的比较

2．4 永磁同步电机的电流控制方法

2．5 本章小结

第三章 永磁同步电机的矢量控制及其建模仿真

3．1 电压空间矢量脉宽调制技术基本原理

3．1．1 电压空间矢量定义

3．1．2 空间电压的合成

3．1．3 电压空间矢量的合成

3．1．4 基本电压空间的作用时间

3．2 三环调节器设计

3．2．1 电流环设计

3．2．2 速度环设计

3．2．3 位置环设计

3．3 系统建模及仿真

3．3．1 速度伺服系统的建模及仿真

3．3．2 位置伺服系统的建模及仿真

3．4 本章小结

第四章 系统硬件电路设计

4．1 系统硬件结构

4．2 控制板

4．2．1 电源电路

4．2．2 DSP电路

4．2．3 FPGA电路

4．2．4 通信电路

4．2．5 旋转变压器激磁及解码电路

4．2．6 位置反馈检测电路

4．2．7 逻辑接口电平转换电路

4．2．8 电流采样调理电路

4．3 驱动板

4．3．1 电源电路

4．3．2 驱动电路

4．3．3 母线电压检测电路

4．4 连接板

4．5 主功率器件

4．6 本章小结

第五章 系统软件设计

5．1 软件设计平台

5．2 软件工程结构

5．3 软件总体结构

5．4 中断服务子程序

5．5 控制算法

5．6 Q格式和正余弦产生

5．7 保护功能

5．8 FPGA时序仿真

5．9 本章小结

第六章 试验结果与分析

6．1 电流环测试

6．2 速度环测试

6．2．1 高速性能

6．2．2 低速性能

6．3 位置环测试

6．3．1 速度限幅值对位置响应时间的影响

6．3．2 位置阶跃测试

6．4 调试中遇到的问题和解决方案

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 后续工作展望

参考文献

致谢

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