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基于FPGA的四轴伺服控制系统的设计

高豹江  
【摘要】:随着全球先进制造业的高速发展,使得高性能伺服驱动器的需求继续加大。目前,在高速、多轴同步联动的伺服应用系统中,普遍是采用高速现场总线来实现,并为每个轴配备一个驱动器,该方案不仅需要处理总线协议中复杂的分布时钟同步运算,而且成本较高同步精度低。针对上述问题,本文设计了基于FPGA的四轴伺服控制系统。 研究永磁同步电机的物理结构、运行原理、坐标变换原理,在此基础上推导永磁同步电机在同步旋转坐标系下的磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程。重点研究永磁同步电机的矢量控制算法,选择合适的控制策略;分析空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理的数字化实现方法和坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法原理,为系统的正确实施提供理论依据。 在Matlab平台上搭建系统的各个仿真模型,主要包括扇区判断模块、基本电压矢量作用时间计算模块、逆变器选择时刻模块、脉冲输出模块,并进行仿真。用Verilog硬件描述语言完成FPGA部分的软件设计,主要包括解码模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、逆PARK变换模块、PI调节模块、扇区判断模块、基本电压矢量作用时间计算模块、三角波发生模块、串口通信模块、SPI通信模块和控制模块,并编写各个模块的测试代码,通过Modelsim对子模块的功能和时序进行仿真,为本设计的实现提供实验数据。 采用Altera公司的EP4C115F29C7、TI公司的DRV8301分别设计FPGA控制板电路和功率板电路,搭建完整的硬件实验平台。下载系统软件进行综合测试,分析测试结果,论证本设计的正确性。 本设计将四个矢量控制算法以模块化的方式在FPGA内部实现,设计控制模块来负责解析上位机命令,并协调四个矢量控制算法模块,从而避免复杂的总线协议,提高系统的同步精度,节约系统成本。此外,采用矢量控制算法提高永磁同步电机的控制性能,能够满足先进制造业对高性能、低成本伺服驱动器的要求。


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