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1、硕士学位论文基于FPGA的高精度交流伺服系统研究 / A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch on High Precision AC Servo System Based on FPGACandidate:Zheng LuMajor:Electric Machine and ApparatusSupervisor:Prof. Huang ShenghuaHuazhongUniversity of Science
2、 & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaFeb., 2007独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作与取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学
3、位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。本论文属于 不。（请在以上方框打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日摘 要随着电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术与计算机技术的快速发展，交流伺服驱动技术取得了很大的进步。由于永磁同步电机有着电磁转矩纹波系数小、运行平稳、动态响应快、可靠性高等优点，在高精度、高性能要求的伺服驱动领域，永磁同步电机伺服系统已逐渐成为交流伺服的主流。本文首先介绍了伺服系统的概念和组成、发展和应用与基本要求，然后推导出永磁同步电机的数学模型，
4、分析其空间矢量图与时间向量图，并根据实际情况提出了按励磁磁场定向的矢量控制方法。接着本文对单电源供电的线性放大电路进行了详细分析，给出了线性放大电路的接线方法和电路设计方法，和双电源供电放大电路作了比较，并给出了仿真波形和实验结果。在第四章，介绍了一种速度曲线生成的方法，并给出由matlab 7.0生成的曲线波形。然后结合实际使用的混合式光电编码器，介绍了位置检测的方法，并描述了三种基本的速度检测算法，指出了各方法适用的场合与优缺点。第五章介绍了Cyclone系列EP1C12Q240C8 FPGA芯片的结构特点，并根据实际系统对系统硬件设计作了详细的阐述。第六章介绍了FPGA的开发流程，详细描
5、述了各模块的设计方法与思路，提出了一种基于FPGA的四倍频电路的实现方法，并用Quartus对各模块做了时序仿真，并给出仿真波形。最后用永磁同步电机对该系统做了实验，记录并分析了电压以与电流波形，且用用Quartus软件中的SignalTap直接测出了速度波形。关键词：伺服系统，永磁同步电机，矢量控制，线性放大，FPGAAbstractUnder the development of motor technology, modern power electronics, microelectronics technology, control technology and computer t
6、echnology, AC servo drive technology has promoted great progress. As permanent magnet synchronous motor has the merits of low electromagnetic torque ripple coefficient, stable operation, rapid the dynamic response, high reliability, permanent magnet synchronous motor servo system has gradually becom
7、e the mainstream of AC servo system in the high-precision, high-performance servo drive field. This paper introduced the conception, composition, development and application of the servo system, as well as the basic requirements of it. Then it derived a mathematical model of PMSM to analyze its time
8、 and space vector map. The magnetic field oriented vector control methods are promoted here in accordance with the actual situation.Then the paper supplied a detailed analysis of the single power supply amplified circuit, provided the method of the wiring and circuit design of linear amplifier, comp
9、ared with the dual power supply amplification circuit, gave the waveform of the simulation and experimental results.In Chapter 4, a method of the formation of velocity curve was given. The methods of initial rotor position detection for PMSM using incremental encoder are discussed. Three basic algor
10、ithmof measuring speed is given, and Advantages and disadvantages of methods were indicated.Chapter 5 introduced the characteristic of structure of Cyclone series EP1C12Q240C8 FPGA. And it has provided a detailed description of the hardware design based on the actual system. Chapter 6 introduced the
11、 FPGA development process, described a detailed design method and idea of each module and proposed a four-frequency circuit designing method based on FPGA. Quartus II was utilized to simulate the timing of each module. And the simulation waveform was shown here.Finally, an experiment was carried out
12、 by PMSM, the voltage and current waveforms were recorded and analyzed. We also used the SignalTap II in Quartus II to measure the velocity waveform directly.Keywords : servo system, PMSM, vector control, linear amplification, FPGA目 录摘要IAbstractII1 绪论1.1交流伺服系统(1)1.2永磁同步电机(3)1.3本文研究的主要容(6)2 同步电机矢量控制原
13、理2.1 永磁同步电机数学模型(7)2.3 永磁同步电机控制策略(11)3 线性放大电路3.1 线性放大电路结构分析(15)3.2 单电源线性放大电路(17)4 位置检测和速度计算4.1速度曲线的生成(24)4.2 位置检测(27)4.3速度计算(29)5基于FPGA的高精度交流伺服系统硬件设计5.1 FPGA简介(31)5.2伺服系统结构框图(33)5.3系统硬件设计(34)6 基于Verilog HDL的FPGA设计6.1 FPGA开发流程和常用软件(38)6.2 Verilog HDL简介(40)6.3 FPGA设计(40)7 实验结果(47)全文总结(50)致(51)参考文献(52)附
14、录攻读硕士学位期间发表的论文(56)1 绪 论1.1交流伺服系统1.1.1 伺服系统的概念与组成伺服系统是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。伺服系统是自动控制系统的一个分支，它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于20世纪初。1934年第一次提出了伺服机构(servomechanism)这个词，随着自动控制理论的发展，到20世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电
15、子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼、突飞猛进。它的应用几乎遍与社会的各个领域1。从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。伺服系统方框图如下图所示：图1-1 伺服系统方框图一般闭环伺服系统为三环结构，即位置环、速度环和电流环。其中电流环为最环，响应速度应最快，位置环为最外环，响应速度最慢。位置、速度和电流环均由调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。1.1.2 交流伺服系统的应用与发展伺服系统服务的对象种类繁多，如机器人手臂各关节的运动控制，仿型铣床与被加工工件之间相对运动轨迹的控制，跟踪雷达天线俯仰角、方位角的自动控
