【摘要】：運動控制及伺服驅動系統(tǒng)廣泛應用于現(xiàn)代機械制造業(yè)的各個領域,是工業(yè)自動化的核心,其技術的發(fā)展對國民經(jīng)濟具有重要意義。目前工業(yè)機器人、數(shù)控機床等多軸運動系統(tǒng)大多仍采用一個運動控制器加多個伺服驅動器的分布式控制方式,在實際應用中存在系統(tǒng)硬件冗余度高、信號傳輸易受干擾、及價格昂貴等問題,有必要進一步簡化控制驅動系統(tǒng)結構。本文以驅控一體化多軸運動控制器的開發(fā)為目標,對相關硬件結構的設計、電機矢量控制以及相關IP核在FPGA中的實現(xiàn)和電機控制程序的開發(fā)進行了研究。本文首先提出了一種支持以太網(wǎng)通訊并能夠同時控制和驅動多個永磁同步電機的硬件設計方案,該方案采用具有硬件TCP/IP協(xié)議棧功能的芯片進行以太網(wǎng)互聯(lián),使用DSP進行數(shù)據(jù)收發(fā)和位置環(huán)計算等,通過FPGA實現(xiàn)電流和位置反饋的采集以及電機控制等,功率部分以智能功率模塊IPM為核心實現(xiàn)三相逆變功能。論述了本課題中在FPGA上實現(xiàn)矢量控制算法的必要性,并永磁同步電機的數(shù)學模型進行了分析,介紹了電機控制及SVPWM算法。以此為基礎在Matlab/DSP Builder環(huán)境下搭建了矢量控制模塊。針對絕對值光電編碼器通訊和電流采樣ADC的SPI通訊編寫了相應的通訊接口模塊,并對PWM波形發(fā)生原理進行了分析,編寫了相應的IP核,并在ModelSim下進行了仿真驗證。最終將相關IP和Nios II在FPGA中集成為SoPC系統(tǒng),編寫了多個永磁同步電機的控制程序和中斷程序,并針對嵌入式系統(tǒng)對程序進行了優(yōu)化。搭建了相關測試平臺,并通過對系統(tǒng)程序運行時間的分析,和電機電流環(huán)、速度環(huán)的實驗驗證了系統(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.
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM301.2

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本文編號：2283220