大功率超声电机的驱动与控制系统设计

发布时间：2017-11-01 08:40

  本文关键词：大功率超声电机的驱动与控制系统设计

  更多相关文章： 超声电机 DSP FPGA 驱动电源 功放电路 直接数字频率合成技术

【摘要】：超声电机是基于压电陶瓷逆压电效应原理驱动的电机,它有很多优点,主要包括以下几个方面:低速下具有大转矩,响应速度快,无电磁干扰,断电自锁,体积小,重量轻等特点,因此非常适用于捕获机构,提高现有捕获机构的容错度,减小捕获机构本身的体积和质量,具有较高的可靠性。自制的超声电机是一个行波纵弯复合型大功率旋转超声电机,由四个振子来驱动。本文研究内容是为自制的超声电机设计驱动与控制系统,主要包括驱动电源与控制系统两部分。其中驱动电源以直接数字频率合成技术为基础,通过FPGA输出八路PWM信号,再经光耦隔离,两个全桥逆变电路和匹配电路,输出两路可精密调节幅值、频率和相位差的近正弦波驱动电压。控制部分主要用光电码盘采集电机速度信息,然后将采集信号传输给DSP,通过DSP计算出相应的控制字,并将控制字传输给FPGA,组成一个闭环系统,实现对电机的速度的跟踪。本文设计的硬件是DSP+FPGA+功放板的模式。其中控制器以TI公司生产的DSP芯片TMS320F28335为核心,FPGA开发板采用的是Cyclone IV系列芯片EP4CE6E22C8的开发板,功放板为自己设计,包括双全桥逆变电路与辅助电路。软件方面主要利用LabVIEW编写的控制界面给FPGA传输控制字,满足控制驱动电源的要求。本文从超声电机驱动原理出发,介绍驱动电源信号源的原理与功能,并通过逻辑仿真与板间实验,验证信号源的性能。同时根据超声电机功率要求设计了驱动电源的功放电路,完成驱动电源的整体设计,并通过测试来验证电源的性能。在完成电源设计后,设计了电机的控制系统,通过固定参数PID算法对电机速度进行控制。
【关键词】：超声电机 DSP FPGA 驱动电源 功放电路 直接数字频率合成技术
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V442
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 引言15
• 1.2 超声电机的发展与应用15-16
• 1.3 超声电机驱动与控制技术的国内外研究现状16-18
• 1.3.1 国外的研究现状16-17
• 1.3.2 国内的研究现状17-18
• 1.4 研究目的与Qg容18-19
• 1.4.1 研究目的18-19
• 1.4.2 研究内容19
• 1.5 章节安排19-21
• 第二章 驱动与控制系统的总体设计21-34
• 2.1 超声电机的驱动技术21-22
• 2.1.1 超声电机的调速原理22
• 2.1.2 调速方法的方法与特点22
• 2.2 超声电机驱动电源的总体结构22-23
• 2.3 驱动电源研制的依据23-28
• 2.3.1 超声电机等效电路模型23
• 2.3.2 振子等效电路23-25
• 2.3.3 振子的导纳计算25-27
• 2.3.4 振子导纳圆的测量27-28
• 2.4 基于UC3875芯片的信号源28-30
• 2.4.1 移相谐振控制芯片UC387528-29
• 2.4.2 基于UC3875芯片的PWM波生成电路29-30
• 2.4.3 多路精密信号源设计依据30
• 2.5 DDS技术介绍30-31
• 2.6 驱动电源的控制界面31-33
• 2.6.1 控制界面的设计依据31-32
• 2.6.2 控制界面的功能与特点32-33
• 2.7 本章小结33-34
• 第三章 多路精密信号源设计34-57
• 3.1 FPGA开发板34
• 3.2 串口通信模块34-38
• 3.2.1 UART介绍35
• 3.2.2 串口通信协议35
• 3.2.3 PC机与FPGA的串口通信35-38
• 3.2.3.1 数据接收模块36-37
• 3.2.3.2 数据发送模块37
• 3.2.3.3 波特率控制模块37-38
• 3.3 控制字判断模块38-39
• 3.3.1 控制字判断模块设计依据38
• 3.3.2 控制字判断模块的介绍38-39
• 3.4 PWM波生成模块39-46
• 3.4.1 PWM波生成模块的设计思想39-40
• 3.4.2 PWM波生成模块的功能与原理介绍40-45
• 3.4.3 相关参数的计算45-46
• 3.4.3.1 公式计算45-46
• 3.4.3.2 精度分析46
• 3.5 逻辑仿真46-50
• 3.5.1 逻辑说明46-47
• 3.5.2 逻辑功能验证47-50
• 3.6 实验验证50-56
• 3.7 本章小结56-57
• 第四章 大功率功放电路设计57-69
• 4.1 全桥逆变电路拓扑结构57
• 4.2 功放电路设计57-61
• 4.2.1 功率开关管选型与参数选择57-58
• 4.2.2 功放电路详细设计58-59
• 4.2.3 移相控制原理59-60
• 4.2.4 功放电路测试60-61
• 4.3 辅助电路的设计61-65
• 4.3.1 光耦隔离电路61-62
• 4.3.2 5V稳压电源62
• 4.3.3 开关管驱动电路62-63
• 4.3.4 二阶低通滤波电路63-65
• 4.4 匹配电路65-68
• 4.4.1 串联电感匹配电路65-67
• 4.4.2 匹配电路的参数设计67
• 4.4.3 匹配电路测试67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第五章 控制系统设计69-80
• 5.1 超声电机控制技术69
• 5.2 控制系统设计69-75
• 5.2.1 硬件部分70-72
• 5.2.1.1 TMS320F28335简介70
• 5.2.1.2 光电码盘70-72
• 5.2.2 软件设计72-74
• 5.2.2.1 GPIO初始化72
• 5.2.2.2 eQEP模块初始化72-73
• 5.2.2.3 串口模块初始化73-74
• 5.2.2.4 中断模块初始化74
• 5.2.3 DSP程序设计流程图74-75
• 5.3 PID控制方法75-77
• 5.3.1 PID控制原理75
• 5.3.2 数字PID75-77
• 5.4 实验测试77-79
• 5.4.1 调频调速实验77
• 5.4.2 开环实验77-78
• 5.4.3 闭环实验78-79
• 5.5 本章小结79-80
• 第六章 总结与展望80-82
• 6.1 本文完成的主要研究工作80-81
• 6.2 后期需要研究的问题81-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文87

，

本文编号：1126074