全自动晶棒定向粘料机控制系统设计及控制算法研究

摘要

晶棒定向、粘料是晶棒切割和加工过程中重要的两个环节。在传统生产过程中，定向和粘料是两个独立的环节。X射线晶棒定向仪利用X射线衍射技术，依据布拉格方程，确定晶棒内部原子面的位置并作出标记。晶棒粘料机根据晶棒上的标记，通过旋转和摆动两个自由度的运动，使晶棒内部原子面的位置和目标切削面平行同时和粘接台地面垂直，从而进行粘接以备后续切割工序。这样的工艺过程自动化程度较低，设计开发一台全自动的晶棒定向粘料一体化的设备对于提高生产效率、促进相关产业发展具有重要的应用意义。 本文基于FPGA平台设计了全自动晶棒定向粘料机的控制系统，主要实现对多路电机的控制和X射线衍射强度的测量。从硬件层面看，对于主控系统，采用以FPGA为核心，电流检测芯片、模数转换芯片、高速光耦芯片和驱动放大芯片等为基本外设电路的架构，实现对电机绕组电流、X射线强度检测传感器反馈电压和编码器信号等信号的采集以及对电机、电磁阀等部件的控制。功率电路采用IPM为核心，构建三相全控逆变电路，实现电机的驱动功能。从软件层面看，本课题以FPGA为载体，采用了基于NiosⅡ的软核嵌入式处理器，对所需各个功能模块进行了IP核设计，并最终设计出片上系统实现了本文所述全自动晶棒定向粘料机的功能。同时，设计了人机交互界面用来实现对系统的监测与控制。 本文的重点和难点在于，对于交流永磁同步电机，在变负载情况下设计出合适的控制器实现三闭环伺服控制系统。本文最终采用全闭环伺服系统的设计思想，应用矢量控制方法，并且在电流环和位置环采用PI控制器、在负载直接影响的速度环设计了内模控制器。仿真实验证明，采用内模思想设计的控制器鲁棒性好，抗干扰能力强，适合本系统中变负载的控制特点。 本文的主要工作包括:全自动晶棒定向粘料机控制系统硬件设计，全自动晶棒定向粘料机控制系统软件设计，变负载情况下伺服控制算法的研究。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研发背景

1．2国内外研究情况

1．2．1晶体定向设备的研究情况

1．2．2伺服系统的研究情况

1．2．3交流伺服控制方法研究情况

1．3伺服系统的分类

1．4课题的研究内容

第2章全自动晶棒定向粘料机总体方案

2．1引言

2．2系统工作原理和设计要求

2．2．1系统工作原理

2．2．2系统设计要求

2．3全自动晶棒定向粘料机的实现方案

2．3．1系统组成

2．3．2系统核心部件的选择

2．3．3系统可行方案对比及方案确定

2．3．4所选方案的具体结构

2．4具体工艺过程和系统涉及的控制问题

2．4．1具体工艺过程简介

2．4．2系统涉及的控制问题

2．5本章小结

第3章伺服控制算法的研究

3．1引言

3．2 PMSM的控制原理

3．2．1 PMSM的数学模型

3．2．2 PMSM常用控制方法比较

3．2．3 PMSM矢量控制方法

3．2．4 PMSM矢量控制的基本结构

3．3全闭环伺服系统设计与仿真

3．3．1电流环设计与仿真

3．3．2速度环设计与仿真

3．3．3位置环设计与仿真

3．4本章小结

第4章全自动晶棒定向粘料机硬件设计

4．2硬件开发环境介绍

4．3系统硬件总体结构

4．4系统控制部分器件选型与电路设计

4．4．1 FPGA芯片选型

4．4．2供电电路设计

4．4．3 FPGA时钟电路设计

4．4．4 FPGA配置电路设计

4．4．5复位电路设计

4．4．6电流电压采集电路设计

4．4．7光栅尺与编码器接口电路设计

4．4．8步进电机驱动信号接口电路设计

4．4．9 RS232串口接口电路设计

4．4．10电磁阀驱动电路设计

4．5．1功率电路设计

4．5．2驱动板供电电路设计

4．5．3脉冲驱动电路设计

4．6本章小结

第5章全自动晶棒定向粘料机软件设计

5．1引言

5．2系统软件设计相关简介

5．2．2硬件描述语言Verilog HDL简介

5．2．3 FPGA片上系统开发流程简介

5．3 FPGA片上系统IP核设计

5．3．1片上系统总体结构

5．3．2电流电压采样模块设计与仿真

5．3．3 Clarke变换模块设计与仿真

5．3．4 Park变换、逆变换模块设计与仿真

5．3．5 SVPWM模块设计与仿真

5．3．6位置速度检测模块设计

5．3．7步进电机驱动信号产生模块设计与仿真

5．3．8控制器模块设计

5．3．9 PLL锁相环模块

5．3．10 Nios Ⅱ软核

5．3．11串行通信Uart模块

5．4．1片上系统中系统级功能软件设计

5．4．2上位机入机交互界面软件设计

5．5本章小结

第6章总结与展望

参考文献

致谢