基于FPGA的四轴伺服控制系统的设计

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1、工程硕士学位论文基于FPGA的四轴伺服控制系统的设计高豹江哈尔滨理工大学2015年3月国内图书分类号：TP273工程硕士学位论文基于FPGA的四轴伺服控制系统的设计硕士研究生：高豹江导师：张旭辉申请学位级别：工程硕士学科、专业：仪器仪表工程所在单位：测控技术与通信工程学院答辩日期：2015年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TP273DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDesignoffouraxisservocontrolsystembasedonFPGACandidate：GaoBaoji

2、angSupervisor：ZhangXuhuiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：InstrumentationengineeringDateofOralExamination：March,2015HarbinUniversityofScienceandUniversity：Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于FPGA的四轴伺服控制系统的设计》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知

3、，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：2015年3月15日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《基于FPGA的四轴伺服控制系统的设计》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印

4、或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用授权书。不保密√□。（请在以上相应方框内打√）作者签名：日期：2015年3月15日导师签名：日期：2015年3月15日哈尔滨理工大学工程硕士学位论文基于FPGA的四轴伺服控制系统的设计摘要随着全球先进制造业的高速发展，使得高性能伺服驱动器的需求继续加大。目前，在高速、多轴同步联动的伺服应用系统中，普遍是采用高速现场总线来实现，并为每个轴配备一个驱动器，该方案不仅需要处理总线协议中复杂的分布时钟同步运算，而且成本较高同步精度低。针对上述问题，本文设计了基于FPGA的四轴伺服控制系统。研

5、究永磁同步电机的物理结构、运行原理、坐标变换原理，在此基础上推导永磁同步电机在同步旋转坐标系下的磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程。重点研究永磁同步电机的矢量控制算法，选择合适的控制策略；分析空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理的数字化实现方法和坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法原理，为系统的正确实施提供理论依据。在Matlab平台上搭建系统的各个仿真模型，主要包括扇区判断模块、基本电压矢量作用时间计算模块、逆变器选择时刻模块、脉冲输出模块，并进行仿真。用Verilog硬件描述语言完成FPGA部分的软件设计，主要包括解码模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、逆

6、PARK变换模块、PI调节模块、扇区判断模块、基本电压矢量作用时间计算模块、三角波发生模块、串口通信模块、SPI通信模块和控制模块，并编写各个模块的测试代码，通过Modelsim对子模块的功能和时序进行仿真，为本设计的实现提供实验数据。采用Altera公司的EP4C115F29C7、TI公司的DRV8301分别设计FPGA控制板电路和功率板电路，搭建完整的硬件实验平台。下载系统软件进行综合测试，分析测试结果，论证本设计的正确性。本设计将四个矢量控制算法以模块化的方式在FPGA内部实现，设计控制模块来负责解析上位机命令，并协调四个矢量控制算法模块，从而避免复杂的总线协议，提

7、高系统的同步精度，节约系统成本。此外，采用矢量控制算法提高永磁同步电机的控制性能，能够满足先进制造业对高性能、低成本伺服驱动器的要求。关键词矢量控制；永磁同步电机；FPGA；SVPWM-I-哈尔滨理工大学工程硕士学位论文DesignoffouraxisservocontrolsystembasedonFPGAAbstractWiththerapiddevelopmentoftheglobaladvancedmanufacturing,theservodriveswithhigh-performanceisincreasing.