驱控一体化多轴运动控制器的研究

摘要

运动控制及伺服驱动系统广泛应用于现代机械制造业的各个领域，是工业自动化的核心，其技术的发展对国民经济具有重要意义。目前工业机器人、数控机床等多轴运动系统大多仍采用一个运动控制器加多个伺服驱动器的分布式控制方式，在实际应用中存在系统硬件冗余度高、信号传输易受干扰、及价格昂贵等问题，有必要进一步简化控制驱动系统结构。
　　本文以驱控一体化多轴运动控制器的开发为目标，对相关硬件结构的设计、电机矢量控制以及相关IP核在FPGA中的实现和电机控制程序的开发进行了研究。
　　本文首先提出了一种支持以太网通讯并能够同时控制和驱动多个永磁同步电机的硬件设计方案，该方案采用具有硬件TCP/IP协议栈功能的芯片进行以太网互联，使用DSP进行数据收发和位置环计算等，通过FPGA实现电流和位置反馈的采集以及电机控制等，功率部分以智能功率模块IPM为核心实现三相逆变功能。
　　论述了本课题中在FPGA上实现矢量控制算法的必要性，并永磁同步电机的数学模型进行了分析，介绍了电机控制及SVPWM算法。以此为基础在Matlab/DSP Builder环境下搭建了矢量控制模块。
　　针对绝对值光电编码器通讯和电流采样ADC的SPI通讯编写了相应的通讯接口模块，并对 PWM波形发生原理进行了分析，编写了相应的IP核，并在ModelSim下进行了仿真验证。
　　最终将相关IP和Nios II在FPGA中集成为SoPC系统，编写了多个永磁同步电机的控制程序和中断程序，并针对嵌入式系统对程序进行了优化。搭建了相关测试平台，并通过对系统程序运行时间的分析，和电机电流环、速度环的实验验证了系统的可行性和有效性。

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第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景与意义

1.3本文的主要研究内容及章节安排

第二章 系统电路设计

2.1系统总体方案确定

2.2系统的供电设计

2.3控制部分电路

2.4驱动部分电路

2.5本章小结

第三章 矢量控制在FPGA中的实现

3.1矢量控制的实现方式

3.2永磁同步电机的控制基础

3.3矢量控制基于模型的设计与仿真

3.4本章小结

第四章 SoPC系统的开发

4.1 FPGA与SoPC技术

4.2编码器通讯接口开发

4.3电流读取接口开发

4.4 PWM信号发生的开发

4.5 SoPC系统生成

4.6本章小结

第五章 电机控制软件开发及实验

5.1 Nios II程序的编写

5.2功能模块实验

5.3电机控制实验

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究内容总结

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果