交流伺服电机的FPGA自抗扰控制设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 7 4 1.83MB 67 页 15积分

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摘要

交流伺服电机以其控制精度好，转矩特性好，加速性能好，过载能力强，等

众多优点，被广泛的应用于对精度、效率和可靠性等要求相对较高的工业领域。

也正是因为越来越高的应用需求，对伺服系统中核心控制器的要求也越来越高。

随着电力电子技术的快速发展，核心控制器从最初的模拟电路发展到可编程逻辑

阵列 FPGA 不断提高着伺服系统中核心控制器的控制性能。

本文采用 FPGA 作为核心控制器的平台，将整个交流电机调速伺服系统在

FPGA 上得以实现，并且加入自抗扰控制技术来提高经典 PID 在电机控制上的缺

点。主要工作包括:交流伺服系统在 FPGA 平台上的建立，转速测量与角度测量

的设计实现，永磁同步电机的启动问题以及整体系统的在线调试。

论文首先对交流伺服系统做了简要的介绍，并叙述了 FPGA 这种新型可编程

逻辑阵列器件在电机控制中的应用和发展；其次简述了构成交流伺服系统各个部

分的基本原理及实际应用方式；然后阐述了非线性控制技术—自抗扰控制技术的

理论；最后在 FPGA 平台上完成交流伺服系统的建立并在交流永磁同步电机上进

行实验分析。

实验结果表明：使用可编程逻辑阵列 FPGA 作为伺服系统的核心控制器有着

很好的可扩展性和灵活性，其复杂运算和并行处理能力非常强大。而自抗扰控制

技术具有优秀的动、静态性能,并且抗干扰能力强，在不同转速下有着更好的适应

性。

关键字: 交流永磁同步电机交流伺服系统可编程逻辑阵列 FPGA

自抗扰控制矢量控制

ABSTRACT

AC servo motor has good control accuracy, torque characteristics and acceleration

performance, strong overload capacity, and many other advantages, which is widely

used in industrial sectors that need relatively high accuracy, efficiency and reliability

requirements. It’s also due to higher demand, the requirements of the core controller in

the servo system is also growing. With the rapid development of power electronics

technology, the core controller from the initial development of analog circuits to a

programmable logic array FPGA, continuously improve the control performance of the

core controller in the servo system.

This paper chooses FPGA as the core controller platform, the AC motor speed

control servo system can be achieved on the FPGA, and join the active disturbance

rejection control technology to improve the shortcomings of the classical PID motor

control. The main activities include: the establishment of AC servo system on FPGA

platform, the design of speed measurement and angle measurement, the way for

permanent magnet synchronous motor start-up problems and on-line debugging of the

overall system.

Firstly, this paper introduces the AC servo system briefly, and describes the

application and development of this new type of programmable logic array devices

FPGA in motor control; Secondly, paper outlines the basic principles and practical

application of various parts of the AC servo system; Thirdly, paper expounds a

non-linear control technology-anti-rejection control theory; Finally, establish AC servo

system on the FPGA platform and analyze experimental results of AC permanent

magnet synchronous motor.

The experimental results show that: the use of programmable logic array FPGA as

the core controller of the servo system has good scalability and flexibility, powerful

complexity of computing and parallel processing capabilities. Active disturbance

rejection control technology has excellent dynamic and static performance, strong

interference capability and a better adaptability at different speeds.

Key Word: AC PMSM, AC Servo System, FPGA, Active Disturbance

Rejection Control, Vector Control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

§1.1 交流伺服系统的发展 ................................................................................... 1

§1.2 交流永磁同步电机的控制算法研究现状 .................................................... 2

§1.2.1 PI 控制 .................................................................................................. 2

§1.2.2 模糊控制 ............................................................................................. 3

§1.2.3 神经网络控制 ..................................................................................... 3

§1.2.4 自适应控制 ......................................................................................... 4

§1.2.5 自抗扰控制 ......................................................................................... 4

§1.3 电机驱动器的发展 ........................................................................................ 5

§1.4 FPGA 在电机控制中的优势 ......................................................................... 6

§1.5 课题所要研究的内容及实施方案： ............................................................ 7

第二章交流伺服电机调速系统的基本原理 ............................................................. 9

§2.1 交流伺服电机调速系统的组成 .................................................................... 9

§2.2 交流永磁同步电机的结构 ............................................................................ 9

§2.3 交流永磁同步电机的数学模型 .................................................................. 10

§2.4 转速传感器 .................................................................................................. 11

§2.5 角度传感器 .................................................................................................. 12

§2.6 伺服控制器 .................................................................................................. 13

§2.7 本章小结 ...................................................................................................... 14

第三章自抗扰控制技术的基本原理 ....................................................................... 15

§3.1 安排过渡过程 .............................................................................................. 15

§3.2 跟踪微分器 .................................................................................................. 17

§3.3 扩张状态观测器 .......................................................................................... 20

§3.4 本章小结 ...................................................................................................... 25

第四章基于 FPGA 的交流调速系统的设计实现 ................................................... 26

§4.1 交流伺服调速系统的硬件组成 .................................................................. 26

§4.1.1 FPGA 核心板 ..................................................................................... 26

§4.1.2 调速系统电路控制板 ....................................................................... 28

§4.1.3 IGBT 桥 .............................................................................................. 29

§4.1.4 交流永磁同步电机 ........................................................................... 29

§4.2 交流伺服调速系统的 FPGA 设计实现 ...................................................... 29

§4.2.1 RS232 串口通讯以及通讯协议模块 ................................................ 30

§4.2.2 软件硬件电机启动停止控制 ........................................................... 37

§4.2.3 软件硬件调速控制 ........................................................................... 39

§4.2.4 控制算法模块 .................................................................................... 41

§4.2.5 SVPWM 生成模块 ............................................................................ 45

§4.2.6 双路 A/D 采集驱动模块 ................................................................... 49

§4.2.7 测速模块 ............................................................................................ 53

§4.2.8 转角测量模块 .................................................................................... 55

§4.3 交流伺服调速系统的在线调试及实验分析 .............................................. 58

第五章总结 ............................................................................................................... 61

参考文献 ..................................................................................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 64

致谢 ..................................................................................................................... 65

第一章绪论

在如今的工业领域，交流永磁同步电机以其结构简单、动态相应快、噪音低、

低损耗、效率高、安全可靠等优点得到广泛的应用，特别是在数控机床、航空航

天、机器人、激光设备、印刷设备等装备制造业和日常生活中得到广泛应用。因

此对交流永磁同步电机伺服控制系统的研究也受到了广泛的关注，对伺服控制方

式的研究不断的细化和深入以取得最佳的控制效果和最优的动态性能。

本章节介绍了交流伺服系统的发展和控制算法的研究现状，并对电机驱动器

的发展做了简要概述，分析了可编程逻辑阵列 FPGA 在电机控制领域的优势，对

本论文的研究内容和实施方案做了重点介绍。

§1.1 交流伺服系统的发展

伺服系统是指用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称为随动

系统，是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）

的任意变化的自动控制系统。伺服系统已经成为了现代工业的重要基础技术，被

广泛应用于：航空航天、雷达、船舶、激光加工、生产流水线、印刷、位置控制

等各种领域[1]。通常根据伺服系统中的元件组成、输出量的物理性质、信号特点、

结构形式可以细分为不同的伺服系统，如：电气伺服系统、位置伺服系统、模拟

式或数字式伺服系统、单回伺服系统、多回伺服系统等等。

在电机伺服系统中，根据电机的不同又分为直流伺服系统和交流伺服系统。

早期的电机伺服系统几乎都是直流伺服系统，这是因为早期的电力电子技术和控

制技术处于起步阶段，直流电机在控制方式上较为简单，并且直流电机具有良好

的启动、制动和调速性能，能满足大部分的现场需求。但是直流电机也存在着一

些缺陷。由于电刷和换向器的存在使得直流电机在转速方面受到了较大的限制，

同时也增加了发生故障的可能性，降低了伺服系统的可靠性。而且电刷在直流电

机运行的过程中可能会产生火花，所以在一些特殊场合无法使用，这就缩小了伺

服系统的应用范围。因此使用交流伺服系统的呼声越来越高。

随着电力电子技术的发展，特别是快速可控功率器件的出现为交流伺服系统

广泛应用奠定了基础。之后随着控制技术的突破，特别是矢量控制技术的提出，

使得交流伺服系统迎来了一个飞跃。将交流电机快速响应、四象限运行、调速范

围大等优点完美的体现了出来，并且没有了换向器和电刷，交流电机的结构就显

得十分简单，既方便制造又比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容

量的电机，这就无疑增加了伺服系统的可靠性和应用范围。所以交流伺服系统在

性能上逐步赶上了直流伺服系统，甚至在某些领域超过了直流伺服系统。近年来

交流伺服电机的 FPGA 自抗扰控制设计

随着微电子技术、电力电子技术和控制技术的高速发展，更是让交流伺服系统逐

渐取代了原来直流伺服系统的主导地位。

交流伺服系统中电机又分为异步电机和同步电机两种。异步电机结构简单、

价格便宜、安装维护方便、通用性较强、过载能力强、可靠性高、能适用于各种

条件恶劣[2]。同步电机则具有功率因素高、较硬的机械特性、抗干扰能力强、转

矩惯性高，并且转速与电源频率始终保持在同步关系回避了转差的问题，控制起

来更精确和容易，再者同步电机的转子在运行时不会因温度变化而导致参数有较

大变动。随着国内稀土永磁体的快速发展，不仅产量迅速增加，而且性能也已接

近发达国家的水平。所以在交流伺服系统中永磁同步电机比异步电机更具竞争力，

逐渐成为了主流[3]。

如今工业自动化程度越来越高，并且不断朝着智能化、网络化的方向发展，

所以交流伺服系统也同样朝着这一目标不断更新，使用了众多人工智能控制算法

来满足越来越高的控制需求，同样也加入了各种总线结构来满足整个工业系统的

联动和监控。国内在交流伺服系统上的研究相对较为落后，特别是高端的伺服控

制系统，国外产品的价格十分昂贵并且在技术上一直保密。但是国内近年来在工

业上的发展却在不断提速，为了不受制于发达国家的技术限制，掌握高性能伺服

控制系统的核心技术有着重要的意义。

§1.2 交流永磁同步电机的控制算法研究现状

交流永磁同步电机本身就是一个复杂的非线性系统,并且存在着启动困难,外

部干扰强,最大转矩受永磁体约束等问题,而且在电机运行的过程中,电机本身的

参数会发生改变,所以对交流永磁同步电机的控制有一定的难度.为了能更好的发

挥交流永磁电机的优点克服其缺点,众多的学者都投入到电机控制算法的研究中,

并且随着现代控制理论的不断发展,很多先进的算法被应用到了交流永磁同步电

机的控制中,如:模糊控制,神经网络控制,自适应控制,自抗扰控制等.下面将对几

种经典的控制算法进行简要介绍.

§1.2.1 PI 控制

PI控制是最早发展起来的控制技术，由于其控制原理简单，使用方便，参数调

节方便，能有较好的控制效果和适应性强等优点，被广泛应用于工业过程控制，

尤其适用于不可建立精确数学模型的确定性控制系统[4]。

但是PI控制同样存在着抗干扰能力不强、快速性与超调之间存在矛盾、控制效

果对参数敏感等缺点，在面对电机这类多耦合、非线性对象常常达不到理想的控

制效果。所以针对PI控制的缺点，诞生了多种改进型PI控制，如积分分离控制算法、

第一章绪论

遇限削弱积分控制算法。积分分离算法是在误差较大时不进行积分，直至误差进

入设定的误差范围以后，再加入积分运算。这样就避免了积分饱和，使系统更容

易稳定。遇限削弱积分算法则是当控制量进入饱和区以后，便不再进行积分项的

累加，而只执行削弱积分的运算，从而尽快离开控制量的饱和区。

§1.2.2 模糊控制

模糊控制通常先将输入误差信号进行模糊化处理，然后根据模糊控制规则进

行模糊推理，得到模糊控制量。接着将模糊控制量转换成精确控制量，即去模糊

化处理[5]。模糊控制系统具有数字控制系统的一般结构形式，其一般结构图如图1-1

所示。

图1-1 模糊控制的基本原理框图

由于模糊控制在消除稳态误差方面的性能比较差，无法达到较高的控制精度，

所以通常将模糊控制器与其他控制手段结合起来使用，使二者优势互补。其中模

糊控制结合PI控制是常用的复合控制，在误差范围较大时采用模糊控制快速减小

误差，当误差范围较小时采用PI控制来消除稳态误差。这种复合控制方式与PI控制

相比较，具有更快的动态响应特性和更小超调，与模糊控制相比较，则具有更高

的稳态精度。在电机控制领域中使用模糊PI复合控制，通常用PI控制控制电机对

象，而模糊控制则调整PI参数，提高其适应能力。当外部条件变化时，模糊控制

器则能自适应地调整参数，提高了系统的性能。

§1.2.3 神经网络控制

神经网络是有许多神经元互连在一起所组成的神经结构。把神经元之间相互

作用的关系进行数学模型化就可以得到神经网络模型[6]，其主要优点有：

(1)具有学习能力，可处理不确定或未知系统；

(2)具有并行处理信息的能力；

(3)非线性映射能力，可以充分逼近任何线性的和非线性模型；

(4)具有很强的容错性和鲁棒性。

神经网络控制技术在电机控制领域开辟了一条新的道路。在永磁同步电机矢

模糊

化

模糊

推理

去模

糊化

控制

对象

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摘要：

摘要交流伺服电机以其控制精度好，转矩特性好，加速性能好，过载能力强，等众多优点，被广泛的应用于对精度、效率和可靠性等要求相对较高的工业领域。也正是因为越来越高的应用需求，对伺服系统中核心控制器的要求也越来越高。随着电力电子技术的快速发展，核心控制器从最初的模拟电路发展到可编程逻辑阵列FPGA不断提高着伺服系统中核心控制器的控制性能。本文采用FPGA作为核心控制器的平台，将整个交流电机调速伺服系统在FPGA上得以实现，并且加入自抗扰控制技术来提高经典PID在电机控制上的缺点。主要工作包括:交流伺服系统在FPGA平台上的建立，转速测量与角度测量的设计实现，永磁同步电机的启动问题以及整体系统的在线调...

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