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基于ARM和FPGA的四轴伺服驱动系统的设计

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基于ARM和FPGA的四轴伺服驱动系统的设计

作者：王瑜山东大学

学位级别：硕士

随着智能制造的不断推进,运动控制系统在国民的生产中担任着越来越重要的角色。目前数控、机器人系统等多轴系统大部分仍旧采用一个运动控制器加上多个伺服驱动器的驱动方案,此方案存在占地面积大、集成度低等缺点。同时很多运动控制系... 详细信息

随着智能制造的不断推进,运动控制系统在国民的生产中担任着越来越重要的角色。目前数控、机器人系统等多轴系统大部分仍旧采用一个运动控制器加上多个伺服驱动器的驱动方案,此方案存在占地面积大、集成度低等缺点。同时很多运动控制系统需要在电机参数变化、外界干扰不断的工业场景中作业,传统的PID控制方式对电机参数比较敏感,难以满足复杂工况下的要求。在此背景下,本文提出了一种基于FPGA和ARM的四轴伺服系统,搭建了基于FPGA的四轴电流环,并对速度环、位置环控制算法和伺服系统软硬件架构进行了研究。在伺服系统中,通常使用从外部到内部嵌套的三闭环控制方案来实现永磁同步电动机的位置、速度和电流的反馈控制。这种控制结构就决定了处于三环最内部的电流环的计算速度制约着整个伺服系统的计算速度,只有首先保证电流环路的计算周期短、带宽大,才能设计出高性能的伺服系统;速度控制和位置控制也是工业控制上最常用的两种控制模式,高性能速度环路和位置环路是保证转子速度的快速跟踪以及伺服系统精确定位的前提。本文着重从提高系统三环控制性能入手,提出了电流环的硬件实现方案,同时改进了两个外环路的算法,从而设计出高性能多轴伺服控制系统。首先,搭建了永磁同步电机的数学模型,建立电流环控制模型,分析了限制电流环带宽的因素,并提出了改进方案;搭建了基于FPGA的电流环的核心模块和辅助模块,并对关键算法做了补偿,以及从占用资源、运算速度上对模块进行了优化;同时为了实现四轴永磁同步电机的控制,提出了四轴电流环的规划调度方案。然后,分析了多轴伺服控制系统的需求,提出了自抗扰控制(ADRC)技术,并分析了ADRC的数学模型,通过将ADRC算法应用于速度环和位置环控制中,提高了系统的抗扰动能力,改善了环路控制性能。最后,基于FPGA的四轴电流环方案,并且结合基于ADRC的速度环和位置环技术,设计出了拥有自主知识产权的高性能四轴伺服驱动器,搭建Simulink平台对ADRC算法进行仿真,再次验证了ADRC算法的优越性;搭建了伺服系统的实验测试平台,验证了本文设计的四轴伺服系统的实用性。

关键词：伺服控制 FPGA 硬件电流环四轴伺服系统自抗扰控制

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基于GaN功率器件的高频伺服驱动系统设计

基于GaN功率器件的高频伺服驱动系统设计

作者：王品贺哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

电机驱动系统广泛应用在装备制造、航空航天、自动化等领域,沿着智能化、高功率密度、高可靠性的发展趋势快速发展。而作为电机驱动系统中的重要组成部分,当前的功率变换系统基本采用基于Si材料的功率器件,开关频率低,很难兼顾高功率密... 详细信息

电机驱动系统广泛应用在装备制造、航空航天、自动化等领域,沿着智能化、高功率密度、高可靠性的发展趋势快速发展。而作为电机驱动系统中的重要组成部分,当前的功率变换系统基本采用基于Si材料的功率器件,开关频率低,很难兼顾高功率密度和高效率等需求。随着半导体技术的不断发展,基于氮化镓(GaN)材料的功率器件具有优良的开关特性和高频工作性能。若将GaN功率器件应用于电机驱动领域,将能够显著降低系统体积、降低损耗、提升系统的功率密度,并降低电机驱动系统工作时的音频噪声。因此,基于GaN功率器件的高频电机驱动系统研究,对电机控制性能的提升具有重要意义。本文研制了基于GaN功率器件的伺服驱动器,并对驱动器关键的控制算法进行了研究。首先,分析了驱动电路及功率电路中寄生参数对GaN功率器件驱动性能的影响,给出了寄生参数的优化顺序及优化方法,并设计了基于GaN功率器件伺服驱动器的硬件电路,完成了伺服驱动器样机的研制。其次,在逆变器输出侧与电机输入侧之间串入LC输出滤波器,以减小开关管高速开关产生的dv/dt和di/dt并实现电机的正弦波驱动。与此同时,本文研究了由LC输出滤波器带来的谐振问题,分析了电流环延迟对系统稳定性的影响。基于此,提出用无阻尼方法实现电气谐振抑制,给出了电流调节器PI参数的整定方法,并通过仿真与实验验证了无阻尼算法的有效性。之后,对比了不同开关频率下、有无LC输出滤波器的相电流EMI。实验结果表明当开关频率与谐振频率的比值在合适范围内时,LC输出滤波器的引入将能够抑制驱动器的开关噪声,降低系统的EMI,实现电机的正弦波驱动。最后,完成了基于FPGA的硬件电流环设计。用Verilog HDL语言编写了电流环中各模块的控制算法,并通过仿真与实验验证了电流环控制算法的正确性。此外,通过电流环的带宽测试可知,在100k Hz开关频率下,电流环带宽能够提升到6k Hz以上。由此可知,与传统的伺服驱动器相比,基于GaN功率器件的高频伺服驱动器的控制性能得到显著提升。

关键词：氮化镓伺服驱动器设计输出滤波器无阻尼谐振抑制硬件电流环

基于EtherCAT总线的高集成度关节控制器研究

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基于EtherCAT总线的高集成度关节控制器研究

作者：林鹏飞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

轻型机械臂是专门为高机动性和与未知环境交互、人类交互的应用场景所设计的,在服务机器人、柔性生产线以及类人型移动平台等领域有着广阔的应用与发展前景。相比于传统工业机器人,轻型机械臂的设计面向高度灵活性和机动性需求,因此轻... 详细信息

轻型机械臂是专门为高机动性和与未知环境交互、人类交互的应用场景所设计的,在服务机器人、柔性生产线以及类人型移动平台等领域有着广阔的应用与发展前景。相比于传统工业机器人,轻型机械臂的设计面向高度灵活性和机动性需求,因此轻型机械臂结构更为紧凑,具有较高的负重/自重比、质量轻、低功耗等特点。轻型机械臂的特点要求其关节控制器在满足高集成度、高效率的同时还需拥有更加强大的计算能力以胜任复杂的控制算法。轻型机械臂工作环境通常是未知的,有时还需要完成与人的交互,这意味着更为复杂的控制策略,为保证系统的控制性能,往往要求系统能够实现更短的控制周期,这对机械臂控制系统的通信带宽、实时性和可靠性提出了极高的要求。因此,高集成度关节控制器对轻型机械臂的设计有着重要意义。针对轻型机械臂特点,本文设计开发基于Ether CAT总线的高集成关节控制器。该关节控制器以FPGA为核心逻辑控制器件,基于SOPC技术,在FPGA上嵌入NIOS II软核处理器,采用硬件的形式实现传感器信息采集和处理以及PMSM矢量控制等高实时性任务;对于Ether CAT从站代码,则采用软件的形式运行在软核处理器上。保证集成度的同时,实现高性能且便于维护的关节控制器软件设计。其次,为了进一步提高轻型机械臂关节集成度,将关节位置采集和电机转子位置采集集成在同一块PCB板上。该设计方案采用MEMS磁编码器芯片采集磁码盘上主码道与游标码道的原始位置信息,基于游标原理,完成绝对位置的解算。由于编码器的安装误差与码盘制造精度等原因,会导致在绝对位置解算在计算当前位置所在磁极时出现错误,为解决这个问题,提出一种采用插值方法的校准算法。最后,以硬件的形式实现PMSM的电流环设计。使用Verilog HDL编写电流环中各功能模块,并通过仿真与实验验证其正确性。采用内模控制策略,对电流环PI参数进行设计,将四个PI参数简化为两个电流环设计带宽参数的调节,分析了控制器各个环节的延迟对电流环最大带宽的限制,以选取最大设计带宽,并采用Matlab/Simulink工具对设计的电流环参数进行仿真,验证了设计的正确性。

关键词：关节控制器 Ether CAT总线绝对式磁编码器硬件电流环

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洛伦兹平面电机控制系统设计与实现

洛伦兹平面电机控制系统设计与实现

作者：宋翔华中科技大学

学位级别：硕士

传统三自由度平台大都采用多个直线运动单元叠加的方式来实现,其结构复杂,惯量大,难于实现精密运动,而洛伦兹平面电机因为其惯量小,中间环节少,结构紧凑等优点在高速高精运动领域受到广泛关注。通过对洛伦兹平面电机国内外研究概况的总... 详细信息

传统三自由度平台大都采用多个直线运动单元叠加的方式来实现,其结构复杂,惯量大,难于实现精密运动,而洛伦兹平面电机因为其惯量小,中间环节少,结构紧凑等优点在高速高精运动领域受到广泛关注。通过对洛伦兹平面电机国内外研究概况的总结,确定了本文的设计方案和控制关键技术,并进行了控制系统的实现。采用三个洛伦兹线圈同水平面并排布置的结构方式实现平面三自由度运动,为了实现高精度三自由度运动,提出了一种平面电机高精度运动控制模型,该模型在三自由度每个轴上采用PID反馈控制和加速度前馈控制方法,保证平面电机定位精度的同时提高其跟随精度;提出了控制硬件模块化设计方案。建立了平面电机动力学解耦模型以解除各轴之间的耦合,避免各轴力之间的相互串扰从而实现无导轨平面运动;建立了位移测量模型以通过平面上不共线三点的位移测量到平面电机形心位移;提出了对控制关键参数如电机力常数、力解耦矩阵的校准方法以提高控制的精确性,降低加工制造安装误差而导致的平面电机各轴力之间的串扰;研究了运动插补算法和轨迹规划算法以保证电机运行过程的精确性、平稳性和柔性,减少冲击。设计了一款高响应速度、高精度和高带宽的电机驱动器,该驱动器采用PI反馈控制思想实现了硬件电流环,其中设计和计算了PI参数,保证该驱动器开环特性在低频段增益较大,高频段快速滚降的特性;设计了平面电机控制系统其它控制硬件和控制软件。为验证平面电机的定位精度和跟踪精度以及最大加速度等指标,搭建平面电机定位运动平台。通过实验分别比较校准前后X轴和Y轴之间的串扰,结果表明校准后两轴串扰明显减小。定位精度测定实验中,实现了微米级的定位精度;并通过实验测得最大加速能够达到2.5g。在不同速度下进行X轴直线运动与Y轴直线运动,测得的实际位移曲线和理论位移曲线基本吻合,验证了其良好的跟踪精度。

关键词：洛伦兹平面电机前馈反馈复合控制解耦模型参数校准轨迹规划硬件电流环