基于FPGA的空间科学实验中伺服电机驱动研究

发布时间：2020-07-18 02:15

【摘要】：随着我国空间材料科学实验的发展,对空间材料科学实验装置中的执行机构提出了更高的要求。相对于以往使用的步进电机,永磁同步电机拥有转矩特性优越、效率高等优势,但因永磁同步电机反馈信号多,控制算法复杂的特性,对装置的设计提出了较高的要求。结合永磁同步电机的结构特点,本文给出了永磁同步电机的数学模型及矢量控制算法的原理及实现方案。并基于Matlab/Simulink建立矢量控制算法仿真平台,验证算法的正确性。在硬件设计上,基于Cadence完成以FPGA作为控制器的集信号采集处理、闭环反馈控制、电机驱动、总线通讯功能的永磁同步电机驱动电路PCB设计,给出了各模块的设计原理并完成原理样机的制作。在软件设计上,基于Xilinx Vivado开发工具完成FPGA主控系统的设计。在主控程序设计中,引入变M/T标幺化测速算法以解决转速测量实时性问题。在设计中引入标幺化的设计思想,设计中采用Q15格式标幺值以简化主控系统设计、方便系统移植,同时给出了主控系统各模块的功能实现。文章最后给出了矢量控制算法仿真实验及基于FPGA的永磁同步伺服系统实验测试结果。实验表明,该设计方案能够有效地完成对永磁同步伺服电机的控制;同时本文也给出了目前设计中的不足之处及后续改进方向,为我国未来空间材料科学实验装置中的执行机构动力系统设计提供了一种参考设计方案。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V524;TN791
【图文】：

空间材料科学实验装置样机如图1.1所示，传动机构用于在空间材料科学实验中样品的提拉运动及转位

图 1.3 传动结构示意图中，电机组件通过磁传动组件输出动力带动主动齿轮运转轮带动丝杠转动以进行提拉运动，从而完成样品材料在实材料科学实验装置的研究中，传动结构往往基于步进电机用电脉冲信号进行驱动，通过电脉冲的个数及频率等变量角度与速度，其位置和速度控制较为简单，常常应用于载置精度要求并非特别高、对体积敏感的场合。同时步进电功耗较高的问题。随着我国空间材料科学实验的不断深入

波永磁同步电机(PMSM)及梯形波永磁同步电机(BLDC)[8]。相比于梯形波永磁同步电机，正弦波永磁同步电机具有更小的转矩脉动，更适合于精密控制场合。同时正弦波永磁同步电机根据转子永磁体安装位置，可进一步划分为表面式永磁同步电机(SPMSM)和内嵌式永磁同步电机(IPMSM)[9]。其结构图如图 1.4 所示。同时自二十世纪八十年代以来，随着新型高性能永磁材料的研发，特别是像钕铁硼等永磁材料在性能上得到极大的提升及价格的降低[10]，使得永磁同步电机在现代各领域起着越来越广泛的作用，也成为电气传动领域的研究热点。绪论

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本文编号：2760256