【摘要】：運(yùn)動(dòng)控制及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,是工業(yè)自動(dòng)化的核心,其技術(shù)的發(fā)展對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要意義。目前工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)大多仍采用一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器加多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的分布式控制方式,在實(shí)際應(yīng)用中存在系統(tǒng)硬件冗余度高、信號(hào)傳輸易受干擾、及價(jià)格昂貴等問(wèn)題,有必要進(jìn)一步簡(jiǎn)化控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文以驅(qū)控一體化多軸運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)發(fā)為目標(biāo),對(duì)相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電機(jī)矢量控制以及相關(guān)IP核在FPGA中的實(shí)現(xiàn)和電機(jī)控制程序的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了研究。本文首先提出了一種支持以太網(wǎng)通訊并能夠同時(shí)控制和驅(qū)動(dòng)多個(gè)永磁同步電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)方案,該方案采用具有硬件TCP/IP協(xié)議棧功能的芯片進(jìn)行以太網(wǎng)互聯(lián),使用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和位置環(huán)計(jì)算等,通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)電流和位置反饋的采集以及電機(jī)控制等,功率部分以智能功率模塊IPM為核心實(shí)現(xiàn)三相逆變功能。論述了本課題中在FPGA上實(shí)現(xiàn)矢量控制算法的必要性,并永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析,介紹了電機(jī)控制及SVPWM算法。以此為基礎(chǔ)在Matlab/DSP Builder環(huán)境下搭建了矢量控制模塊。針對(duì)絕對(duì)值光電編碼器通訊和電流采樣ADC的SPI通訊編寫(xiě)了相應(yīng)的通訊接口模塊,并對(duì)PWM波形發(fā)生原理進(jìn)行了分析,編寫(xiě)了相應(yīng)的IP核,并在ModelSim下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最終將相關(guān)IP和Nios II在FPGA中集成為SoPC系統(tǒng),編寫(xiě)了多個(gè)永磁同步電機(jī)的控制程序和中斷程序,并針對(duì)嵌入式系統(tǒng)對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化。搭建了相關(guān)測(cè)試平臺(tái),并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)間的分析,和電機(jī)電流環(huán)、速度環(huán)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和有效性。
[Abstract]:Motion control and servo drive system are widely used in various fields of modern mechanical manufacturing industry and are the core of industrial automation. The development of motion control and servo drive system is of great significance to the national economy. At present, most multi-axis motion systems, such as industrial robots and CNC machine tools, still adopt the distributed control mode of one motion controller and multiple servo drivers. In practical applications, the hardware redundancy of the system is high, and the signal transmission is easily interfered. And expensive problems, it is necessary to further simplify the structure of the control drive system. Aiming at the development of multi-axis motion controller integrated with drive and control, this paper studies the design of related hardware structure, the realization of motor vector control, the realization of related IP core in FPGA and the development of motor control program. In this paper, a hardware design scheme which supports Ethernet communication and can control and drive multiple permanent magnet synchronous motors simultaneously is proposed. This scheme uses a chip with the function of hardware TCP/IP protocol stack for Ethernet interconnection. DSP is used for data transceiver and position loop calculation. The collection of current and position feedback and motor control are realized by FPGA. The three-phase inverter function is realized in the power part with the intelligent power module IPM as the core. The necessity of realizing vector control algorithm on FPGA is discussed. The mathematical model of permanent magnet synchronous motor is analyzed and the motor control and SVPWM algorithm are introduced. On this basis, the vector control module is built in Matlab/DSP Builder environment. The corresponding communication interface module for absolute photoelectric encoder communication and SPI communication of current-sampled ADC is developed, and the principle of PWM waveform generation is analyzed. The corresponding IP core is compiled and simulated under ModelSim. Finally, the related IP and Nios II are integrated into SoPC system in FPGA, and several PMSM control programs and interrupt programs are written, and the program is optimized for embedded system. The related test platform is built and the feasibility and effectiveness of the system are verified by the analysis of the running time of the system and the experiments of the motor current loop and the speed loop.
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM301.2

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本文編號(hào)：2283220