基于FPGA的無刷直流電機(jī)舵機(jī)控制器的研究與設(shè)計.pdf

1、隨著機(jī)電一體化的不斷深入和航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對電動舵機(jī)的整體性能要求越來越高，促使它向著體積重量不斷減小，承載能力不斷增強(qiáng)，控制性能進(jìn)一步提高的方向發(fā)展。國內(nèi)電動舵機(jī)系統(tǒng)大多采用有刷直流電機(jī)，模擬控制器，或基于單片機(jī)、DSP的數(shù)字控制器，從而存在電機(jī)效率不高，控制器體積重量大，控制速度慢，使用一套控制器難以控制多臺電機(jī)等缺點(diǎn)。本文針對舵機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了以FPGA芯片為核心的相互獨(dú)立的四軸無刷直流電機(jī)舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

2、>　　 論文首先分析了永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)越性，再分析了其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，利用其相變量建立的數(shù)學(xué)模型和基本方程推導(dǎo)出其運(yùn)行特性，從而得出其與傳統(tǒng)直流電機(jī)有相似的控制性能。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了舵機(jī)的帶前饋的電流、速度、位置三環(huán)控制策略以及分段PI的控制算法。
　　 論文采用一片ALTERA公司的CycloneⅠ芯片為控制核心，利用SOPC(片上可編程系統(tǒng))思想控制四臺相互獨(dú)立的無刷直流電機(jī)?？刂破饔布糠职ǎ嚎刂坪诵碾娐?/p>

3、、位置檢測電路、電流采樣電路、驅(qū)動逆變電路、霍爾換向電路等。論文對硬件的每一部分包括濾波、硬件可靠性等都進(jìn)行了精心設(shè)計和詳細(xì)論述。
　　 舵機(jī)控制系統(tǒng)采用FPGA的優(yōu)勢體現(xiàn)在利用SOPC思想，綜合考慮體積、系統(tǒng)資源和控制速度，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計。即用硬件功能模塊實(shí)現(xiàn)邏輯處理，軟核處理器實(shí)現(xiàn)控制算法，既提高了控制速度，也使用了較少的FPGA的邏輯單元。論文利用HDL(硬件描述語言)設(shè)計了各功能硬件模塊，包括：PWM模塊、換向模塊、

4、位置AD操作模塊、電流采樣模塊、存儲器模塊等；利用SOPC Builder設(shè)計了NiosⅡ軟核處理器，并在軟核處理器上完成了部分提高處理器性能的自定制指令；然后用C語言和HAL(硬件抽象層)的API(應(yīng)用程序接口)在軟核中編程實(shí)現(xiàn)了針對無刷直流舵機(jī)的帶前饋的三閉環(huán)軟件控制算法；最后利用上位機(jī)調(diào)試系統(tǒng)，通過現(xiàn)場調(diào)試確定了控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，并測試了舵機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)性能指標(biāo)，驗(yàn)證了其先進(jìn)性。采用FPGA實(shí)現(xiàn)的無刷直流電機(jī)舵機(jī)伺服系統(tǒng)控制速