摘 要

随着永磁同步电机和伺服系统的应用和发展,其智能实现的方式也越来越多,新一代的现场可编程门阵列(fpga)处理器技术已经实现了传统的嵌入式处理器的智能化,可以轻松实现各种复杂的算法,成本相对较低,符合目前自动化伺服系统驱动器设计的工业智能化发展趋势。本文的设计基于此特点设计了一种基于FPGA的永磁同步电机自动控制系统。

本文首先深入分析了永磁交流同步电机的数学模型,并由其矢量控制方程式详细介绍了矢量控制坐标变换的基本原理,并比较各种的控制策略后选取基于SVPWM的分布式矢量闭环控制系统作为电机最核心的控制算法,设计了三闭环控制的系统,并设计了各种控制参数的整定。随后在MATLAB进行了总体的仿真,验证了设计的正确性。

接着在quartusⅱ平台上完成了基于FPGA的永磁同步电机伺服系统的模块化设计仿真,采取了top-down的模块化设计仿真方式详细阐述了各个生成模块的基本设计仿真流程,具体设计包括通讯生成模块,坐标变换生成模块,编码寄存器生成模块,SVPWM生成模块,同时设计了输出寄存器的原理流程图或者是运行寄存器波形,以充分说明设计理论的正确性。

关键词：FPGA；永磁同步电机； 矢量控制； 坐标变换

Abstract

With the development of PMSM servo system, there are more and more ways to realize it. The new generation of FPGA technology realizes the intelligence of embedded processor, which can realize various complex algorithms with low cost. It is in line with the current intelligent development trend of servo system design. In this paper, a control system of PMSM Based on FPGA is designed.

In this paper, firstly, the mathematical model of PMSM is analyzed, and the principle of coordinate transformation is introduced by its equation. After comparing various control strategies, the vector control based on SVPWM is selected as the core algorithm, and the three closed-loop control system is designed, and the parameter setting is designed. Then the overall simulation is carried out in MATLAB to verify the correctness of the design.

Then, an FPGA-Based speed loop control IC is designed to realized the controllers, and the design flow of each module is described in detail by adopting the top-down design method, including many module, SVPWM generation module and PI control module. At the same time, the schematic diagram of register or operation waveform is output to illustrate the theoretical correctness Accuracy.

Keywords: FPGA ；PMSM ；Vector Control ; Coordinate Transformation

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2永磁同步电机伺服驱动的发展 2

1.3永磁同步电机伺服驱动的实现方式 2

1.3.1永磁同步电机的控制策略 2

1.3.2永磁同步电机的硬件实现方式 3

1.4本文研究内容 3

第2章 永磁同步电机矢量控制分析与建模 5

2.1永磁同步电机的工作原理 5

2.2永磁同步电机的数学模型 5

2.3永磁同步电机的矢量控制 8

2.4永磁同步电机伺服系统建模 8

2.5空间矢量脉宽调制技术 9

2.6三闭环调节器设计 10

2.6.1电流环PI设计 10

2.6.2转速环PI设计 11

2.6.3位置环P设计 12

2.7永磁同步电机的建模与仿真 13

2.7.1 PARK与反PARK的变换模块原理与仿真 13

2.7.2电流环CLARK变换模块与仿真 14

2.7.3 SVPWM模块建模 14

2.8系统综合仿真 15

2.9本章小结 18

第3章 永磁同步电机数字化伺服系统设计 18

3.1引言 18

3.2 FPGA设计流程综述 18

3.3 永磁同步电机控制系统的总体设计方案 20

3.4坐标变换模块设计 21

3.4.1 Clark变换 21

3.4.2 PARK变换和反PARK变换模块 22

3.5 PI控制模块 23

3.6 串口通讯模块 24

3.7 SVPWM模块设计 25

3.8 光电编码器模块 27

3.9本章总结 27

第4章 总结与展望 28

致 谢 30

参考文献 31

第1章 绪论

1.1引言

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM）中用永磁体来导电取代直流励磁以产生气隙磁场,并将永磁定子接到了交流电源,转子采用特殊外形的永磁体以产生正弦分布的永磁气隙从而产生电磁场。与其他传统的同步电机产品相比,提高了电机的可靠性,又大大节约了用铜,提高了同步电机的效率。还其具有高功率因数和高转矩惯量比等诸多优点,而同时由于具有多种高性能的稀土永磁同步材料的出现和材料学科的发展,使永磁同步电机的技术制造和成本不断大大降低,因此其的运用也越来越广泛。^[1][2][3]

在对交流永磁伺服同步电动机的研究发展和应用过程中,对永磁同步电机起控制驱动作用的永磁伺服电机驱动控制系统也进一步得到了突破性的发展,并广泛应用于机械制造工业的各个方面。在机械制造的各行业中,伺服电机驱动控制系统的应用最为广泛。各种高性能数控机床的对运动本体部件的运行速度控制和对轨迹的控制由各种数字化的伺服系统直接完成。数控伺服系统的结构和性能是直接决定了数控机床设计和加工的精度和数控机床生产过程工作效率的主要决定性因素之一。因此数字化机床伺服系统的设计和研究对于永磁伺服驱动同步电机的应用发展十分重要。^{[4][5][6][7][8][9]}

但是在现代电子工业的应用中,有很多的不确定性,比如驱动控制系统内部参数的不确定性,外部电机负载的扰动、摩擦力、未经软件建模的不确定性等，使其终究是一个降低了性能和质量的预设计电机驱动控制系统。为了有效解决这个不确定性的问题,多年来,许多各种智能化手段，已被研究开发并广泛应用于对伺服电机的高精度控制,以获得质量高的伺服电机运行的速度控制性能。高性能的速度控制系统应满足以下功能：其伺服电机控制的速度调整是否具有快速的动态响应控制参数,伺服电机的输出是否受到伺服电机扰动的稳定性影响以及其能否尽快恢复到原来的电机运行状态。但是不论执行的神经网络还是自适应的模糊控制都可能需要同时需要大量的数据进行计算,因此系统需要如何实现这些高度复杂的控制算法主要依赖于DSP单片机系统,传统的离散式伺服系统所需要采用的离散式单片机系统DSP一定的程度上已经解决了传统离散化单片机电路的速度控制缺陷,但是由于伺服电机DSP片内的电路固定,其延展性和技术的可开发性在设计上都会因此受到很大的限制,使得其微型化自动化,低成本等技术要求难以实现,随着电力电子技术的进一步发展,具有强大的操作灵活性以及强大数据的并行采集和数据处理的能力,可实现重复编程等技术优势的伺服电机可编程离散式门阵列(FPGA—field programmable gate array)的运用愈发广泛。^[10][11][12]