基于FPGA的無刷直流電機舵機控制器的研究與設計.pdf

1、隨著機電一體化的不斷深入和航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對電動舵機的整體性能要求越來越高，促使它向著體積重量不斷減小，承載能力不斷增強，控制性能進一步提高的方向發(fā)展。國內(nèi)電動舵機系統(tǒng)大多采用有刷直流電機，模擬控制器，或基于單片機、DSP的數(shù)字控制器，從而存在電機效率不高，控制器體積重量大，控制速度慢，使用一套控制器難以控制多臺電機等缺點。本文針對舵機的運行特點，建立了以FPGA芯片為核心的相互獨立的四軸無刷直流電機舵機伺服控制系統(tǒng)。

2、>　　 論文首先分析了永磁無刷直流電機的優(yōu)越性，再分析了其基本結(jié)構和工作原理，利用其相變量建立的數(shù)學模型和基本方程推導出其運行特性，從而得出其與傳統(tǒng)直流電機有相似的控制性能。在此基礎上，詳細論述了舵機的帶前饋的電流、速度、位置三環(huán)控制策略以及分段PI的控制算法。
　　 論文采用一片ALTERA公司的CycloneⅠ芯片為控制核心，利用SOPC(片上可編程系統(tǒng))思想控制四臺相互獨立的無刷直流電機?？刂破饔布糠职ǎ嚎刂坪诵碾娐?/p>

3、、位置檢測電路、電流采樣電路、驅(qū)動逆變電路、霍爾換向電路等。論文對硬件的每一部分包括濾波、硬件可靠性等都進行了精心設計和詳細論述。
　　 舵機控制系統(tǒng)采用FPGA的優(yōu)勢體現(xiàn)在利用SOPC思想，綜合考慮體積、系統(tǒng)資源和控制速度，采用軟硬件協(xié)同設計。即用硬件功能模塊實現(xiàn)邏輯處理，軟核處理器實現(xiàn)控制算法，既提高了控制速度，也使用了較少的FPGA的邏輯單元。論文利用HDL(硬件描述語言)設計了各功能硬件模塊，包括：PWM模塊、換向模塊、

4、位置AD操作模塊、電流采樣模塊、存儲器模塊等；利用SOPC Builder設計了NiosⅡ軟核處理器，并在軟核處理器上完成了部分提高處理器性能的自定制指令；然后用C語言和HAL(硬件抽象層)的API(應用程序接口)在軟核中編程實現(xiàn)了針對無刷直流舵機的帶前饋的三閉環(huán)軟件控制算法；最后利用上位機調(diào)試系統(tǒng)，通過現(xiàn)場調(diào)試確定了控制系統(tǒng)的各項參數(shù)，并測試了舵機控制系統(tǒng)的相關性能指標，驗證了其先進性。采用FPGA實現(xiàn)的無刷直流電機舵機伺服系統(tǒng)控制速