微型直流电机伺服控制算法的研究及FPGA实现

发布时间：2017-07-07 02:04

  本文关键词：微型直流电机伺服控制算法的研究及FPGA实现

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【摘要】：为了实现阵列天线快速、精确波束扫描,这就需要每个天线单元能够快速、准确转动到位,要求伺服系统具备响应速度快,定位精度高。有刷直流电机具有调速范围宽,响应速度快,定位精度高,动、静态特性优良,且结构比较简单等优点。因此可以采用微型有刷直流电机驱动天线单元。现场可编程门阵列(FPGA)具有丰富逻辑资源、开发周期短,可反复编辑等优点。采用基于FPGA的数字电路来控制直流电机,可以实现多轴电机控制。本文研究了微型直流电机伺服控制算法,并基于FPGA设计了微型直流电机控制器IP核,实验验证了该IP核对微型直流电机的驱动性能。为实现微型直流电机快速、精确位置控制,本文仿真研究了微型直流电机闭环控制系统。首先阐明了直流电机基本结构和工作原理,在此基础上推导了直流电机数学模型；然后研究了比例-积分-微分(PID)控制算法,建立了基于Simulink的微型直流电机控制系统仿真模型。仿真结果表明单PID算法驱动微型直流电机,系统存在超调,无法同时兼顾响应时间短和超调量小,且无法对电机转动过程进行控制。为了优化系统动态性能,研究了速度剖面、前馈控制算法,提出了一种PID控制、速度剖面和前馈控制相结合的新型直流电机伺服控制算法。仿真结果表明优化算法后,电机位置能较好地跟随给定输入,可对电机进行过程控制；且无明显超调,响应时间短,定位精度高。为实现基于FPGA的多轴微型直流电机伺服控制,本文采用Verilog HDL语言设计了微型直流电机控制器IP核,以实现前述伺服控制算法。按照功能划分,该IP核包括：PositionControl模块、PWM模块、QEP模块、Avalon接口模块。由于IP核内部执行操作较多,且时序复杂,利用有限状态机,严格控制IP核调用各模块的时序关系。为了减少IP核使用的逻辑单元数量,优化各模块中硬件描述语句,尽量使程序精炼明晰。利用仿真工具对IP核进行了功能和时序仿真验证,结果表明该IP核内部控制时序正确,计算结果符合预期。最后搭建了实验测试平台,建立了可编程片上系统(SOPC),编写了Nios Ⅱ软件工程,初步实验结果表明单PID算法难以实现快速精确地控制本文所选微型直流电机,存在较大超调量,对小角度的调节能力较弱,无法实现高精度定位；对控制算法进行优化,采用分段控制和电机启停监测模式,有效改善伺服系统动态性能,减小了超调量,提高了伺服系统对小角度的定位能力,缩短了系统响应时间；并实验测试了该IP核对不同电机系统的差异具有较强适应性。
【关键词】：微型直流电机 PID控制算法 FPGA IP核 Nios Ⅱ
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM33;TN791
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 微型直流伺服控制算法的发展现状12-14
• 1.2.2 直流电机控制器的发展现状14-15
• 1.3 论文的主要研究内容15-16
• 第2章 直流电机伺服系统控制原理基础16-25
• 2.1 直流电机的基本结构与工作原理16-18
• 2.2 直流电机的数学模型18-20
• 2.3 直流电机控制原理20-22
• 2.3.1 位置控制20
• 2.3.2 转矩控制20
• 2.3.3 调速控制20-21
• 2.3.4 单位置环控制原理21-22
• 2.4 直流电机驱动方式22-24
• 2.4.1 PWM调制技术22-23
• 2.4.2 PWM单极性驱动23
• 2.4.3 PWM双极性驱动23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 伺服系统算法设计及仿真25-42
• 3.1 Simulink简介25-26
• 3.2 PID算法设计26-28
• 3.2.1 PID位置型算法26-27
• 3.2.2 PID增量型算法27
• 3.2.3 PID参数整定27-28
• 3.3 系统模型的建立28-31
• 3.3.1 PID控制算法模块仿真28-29
• 3.3.2 PWM脉冲产生电路仿真29-30
• 3.3.3 微型直流电机30-31
• 3.3.4 单PID算法微型直流伺服系统仿真实验31
• 3.4 速度剖面仿真研究31-37
• 3.4.1 速度剖面模块设计32-33
• 3.4.2 速度剖面仿真结果分析33-37
• 3.5 前馈算法研究37-41
• 3.5.1 前馈控制模块设计39
• 3.5.2 前馈控制仿真结果分析39-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第4章 微型直流电机控制器IP核设计与实现42-50
• 4.1 设计思路和系统划分42-43
• 4.2 IP核各功能模块设计43-47
• 4.2.1 Positioncontrol模块设计43-45
• 4.2.2 PWM模块设计45
• 4.2.3 QEP模块设计45-46
• 4.2.4 Avalon接口模块设计46-47
• 4.3 IP核功能仿真验证47-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第5章 微型直流伺服系统实验研究50-62
• 5.1 实验平台构建50-54
• 5.1.1 硬件平台描述50-53
• 5.1.2 系统软件结构及功能描述53-54
• 5.2 单电机伺服控制性能测试及结果分析54-60
• 5.2.1 单PID控制模式实验分析54-55
• 5.2.2 电机绕组电流测量与分析55-59
• 5.2.3 IP核控制算法优化及实验分析59-60
• 5.3 不同电机伺服控制性能适应性测试60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 第6章 总结与展望62-64
• 6.1 全文总结62
• 6.2 研究展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果68

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本文编号：528484