基于FPGA的交流伺服电机位置环控制器研究与设计

摘要

随着工业控制领域对高速、高精度以及高响应速度电机需求的不断增加,电机及其伺服控制技术得到了飞速的发展。电机是工业控制中至关重要的部分,是工业控制系统最主要的执行部件,只有电机及其伺服控制技术的进步才能促进工业控制领域的进一步发展。伺服控制系统主要由电流环、速度环和位置环构成,其中位置环的控制性能直接决定了伺服控制系统整体的工作性能,是伺服控制系统设计的关键。
　　传统PID控制在控制量突变时,会产生较大的超调量,本文针对这个不足进行改进,得出一种改进型PID控制方法,同时利用前馈控制高响应速度的特点,设计出一种改进型PID加前馈的控制方法,通过仿真验证该方法相比于传统PID控制方法具有更小的超调量和更快的响应速度。
　　本文选用FPGA作为位置环控制器处理核心,在其内部实现改进型PID加前馈的算法以及部分硬件电路功能。FPGA具有的超大规模的单芯片容量和类似硬件电路的高速并行处理能力,同时在FPGA芯片内还可以自定义一个32位NiosII软核处理器,软核支持常用指令集,可以通过高级编程语言设计程序。在单片FPGA芯片中可以完成类似硬件电路的逻辑控制,同时还能够通过Nios II软核来实现复杂的算法。FPGA可以大幅简化硬件电路的设计,提高设计人员的工作效率。本文设计制作基于FPGA的交流伺服系统位置环控制器;然后在位置环控制器的FPGA芯片中完成软件设计工作;最终通过测试表明,在本文所设计的基于FPGA的位置环控制器的控制下,伺服电机具有较好的定位精度和跟踪性能。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2伺服电机控制技术

1.3本课题研究意义

1.4本论文完成的工作

第二章 位置环控制器硬件设计

2.1 位置环控制器硬件平台结构

2.2 交流伺服电机及其驱动器

2.3位置环控制器硬件电路设计

2.4 本章小结

第三章 位置环控制器算法设计

3.1改进型PID控制

3.2 前馈控制

3.3 改进型PID加前馈控制算法

3.4 本章小结

第四章 位置环控制算法仿真

4.1 交流伺服电机及其驱动器数学模型建立

4.2 位置环控制器建模

4.3 位置环控制器仿真

4.4 本章小结

第五章 位置环控制算法实现及整体测试

5.1 算法实现的总体结构

5.2 VHDL语言程序设计

5.3 位置环算法的软件设计

5.4 位置环控制器测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究成果总结

6.2 研究前景展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况