基于FPGA的永磁同步直线电机矢量控制与仿真分析

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I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
Abstract
Linear motors are provided with simple structures, and capable of realizing linear motion without transmission processes. They have wide velocity range and high acceleration as well. All these characteristics bring more and more applications of linear motors in all kinds of linear driving occasions. Along with the rapid ly developing of the micro-electronics technology, the computer science and the electric power and electron semiconductor technology, alternating current servo systems have come to a whole numeric stage. And as the EDA technology and FPGA components develop and make progress, a single FPGA chip can now realize complicated control algorithms with the advantages of flexibility, recomposing, quick running and high reliability. Consequently, researches on FPGA-based high performance AC servo systems can be expected a great foreground. In this paper, the structure and theory of permanent magnetic linear synchronous motor (PMLSM) are analyzed, based on which the vector control equations are deduced firstly. Besides, the 0 q-axis-current vector control strategy is analyzed here, as well as the closely related SYPWM technology and the CORDIC algorithm used in FPGA. What’ s more, an overall vector control scheme for PMLSM is presented, and its Matlab model is given as well. Further on account of requirements of vector control strategy, the hardware constitution are researched, based on which, the detailed software realizations of vector control strategy in FPGA are researched also, and the software modules are generated and analyzed. Lastly, the software modules are debugged in this research, and simulation of the circuit loop, the velocity loop and the position loop of the motor are made, while the evaluation test curves are generated and analyzed. Keywords: PMLSM, Vector Control, FPGA, SVPWM, CORDIC
1Leabharlann 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
所以研究开发全数字、高性能、网络化的直线电机伺服驱动控制系统对于提升我国直线 电机产业乃至整个制造业实力都具有重要的意义。
1.3 国内外研究现状
随着微电子、计算机与电力电子功率半导体技术的飞跃发展，现代交流伺服系统经 历了模拟到数字化的转变，数字控制已是无处不在，并且近年来交流伺服系统进入了全 数字化阶段[23]。交流伺服系统的控制方式也由硬件伺服转向软件伺服，从伺服系统的外 环向内环、进而更接近电动机环路的更深层发展[24] 。高性能 DSP（数字信号处理器）具 有高处理速度、强大的计算能力、大存储、丰富外设资源、高效编译环境、等众多优点， 从而使得以 DSP 为核心处理器的交流伺服系统电路更简单、更容易实现复杂的控制算 法[25] [26] ，是目前交流伺服系统采用的主流处理器。随着电子设计自动化（ EDA）技术 和现场可编程门阵列（FPGA）器件的不断发展和进步，使用单片 FPGA 已经可以完全 实现复杂的控制算法[27][28]， 并且具有灵活、 可重构、 运行速度快、 可靠性高等优点。 FPGA 经配置后以硬件方式工作，比 DSP 软件运行方式具有更高的可靠性。所以，基于 FPGA 的高性能交流伺服驱动系统具有很好的发展前景。使用 Verilog HDL 硬件描述语言开发 具有自主知识产权的电机控制 IP （Intellectual Property）软核，实现 SOC（ System on a Chip）高性能交流伺服系统，不仅具有理论意义，而且具有重要的经济意义和战略意义， 在军事、民用等领域都会有广阔的用途[29]，国内外已经有许多学者开始研究 FPGA 在交 流伺服系统中的应用[30]－[33]。 永磁同步直线电机采用“ 零传动 ” 的方式直接驱动负载，因此外部的扰动、负载的变 化、电机参数的摄动、直线电机固有的齿槽效应和端部效应所产生的磁阻力等不确定性 因素，都未经中间环节的缓冲和衰减，直接作用于电机本身，从而影响伺服控制系统的 性能。因此，在控制算法中必须针对这些因素予以抑制或者补偿。目前，针对永磁直线 电机的伺服控制策略的研究很多，主要包括矢量控制和直接转矩控制。传统控制方法主 要是 PID 控制，目前 PID 控制器仍然是控制系统中技术比较成熟，而且应用最广泛的一 种控制器[34]－[36]。现代控制策略对于时变与非线性系统有着令人满意的效果，在直线电 机伺服控制的研究引起了很大的重视，目前应用较多的是自适应控制[37][38] 、滑模变结构 控制[39]、鲁棒控制[40]－[42]和预见控制[43]－[45]。智能控制突破了经典控制理论中必须基于 数学模型的框架,研究的目标是数学解析和知识系统相结合的广义模型； 智能控制继承了 人脑思维的非线性，具有非线性特性，所以智能控制主要应用解决那些用传统方法难以 解决的复杂系统的控制问题。在交流伺服系统领域中目前主要应用的智能控制方法包括
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1 绪
1.1 课题的来源
论
本研究课题来源于国家自然科学基金项目《基于分级模糊递阶理论的直线驱动机电 系统控制策略的研究》 （项目编号：60474021 ）和“数字制造装备与技术”国家重点实 验室项目《基于高响应直线驱动的多维机器视觉及处理系统》 。
华中科技大学 硕士学位论文 基于FPGA的永磁同步直线电机矢量控制与仿真分析 姓名：李晨光 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：艾武;陈幼平 20090520
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要
直线电机结构简单，不用经过中间传动环节就能直接实现直线运动，并且具有很宽 的速度范围和高加速度，高的系统刚度和定位精度，响应速度快，这些特点使得直线电 机在各种需要直线驱动的场合中得到了越来越广泛的应用。 随着微电子、计算机与电力电子功率半导体技术的飞跃发展，交流伺服系统已进入 了全数字化阶段。并且随着电子设计自动化（ EDA）技术和现场可编程门阵列（ FPGA） 器件的不断发展和进步，使用单片 FPGA 已经可以完全实现复杂的控制算法，并且具有 灵活、可重构、运行速度快、可靠性高等优点。 FPGA 经配置后以硬件方式工作， 比 DSP 软件运行方式具有更高的可靠性。因此，对基于 FPGA 的高性能交流伺服驱动系统的研 究具有很好的发展前景。 本文首先分析了永磁同步直线电机的结构和工作原理，并根据其内部的电磁关系， 推导了永磁同步直线电机的矢量控制方程。在此基础上，分析了按励磁轴线（直轴）定 向的矢量控制策略，并给出了永磁同步直线电机矢量控制的总体方案及其在 Matlab 中 建立的仿真模型，同时对与矢量控制密切相关的 SVPWM 技术也作了详细的阐述，并对 一种适合于 FPGA 实现的 CORDIC 算法进行了详细论述。 根据矢量控制技术的要求，本文研究了永磁同步直线电机伺服控制器的硬件组成， 包括控制电路、检测电路、保护电路等。 在所设计的硬件系统的基础上，本文进一步研究了矢量控制策略在 FPGA 中具体的 软件实现，分析并设计了 SVPWM、CORDIC 、PID 控制器等软件模块。 最后，本文对各软件模块进行了调试，对电机的电流环、速度环和位置环分别进行 了仿真，绘制了相应的仿真试验曲线，并对仿真试验结果进行了分析。 关键词 ：永磁同步直线电机 矢量控制 FPGA SVPWM 技术 CORDIC 算法