基于FPGA的可重构交流伺服系统硬件设计
摘要：通过对交流伺服系统硬件电路分析，提出了一种可重构的通用硬件系统结构，设计了基于DSP+FPGA+ASIPM 的交流伺服驱动控制硬件平台，该系统配置相应的软件可以驱动异步电机、永磁同步伺服电机、无刷直流电机，通过对FPGA的不同配置还可以驱动直流电机和三相感应式高压步进电机。
关键词：交流伺服；可重构；DSP；FPGA
0引言 直流电机拖动和交流电机拖动在19世纪先后诞生。在20世纪，约占电力拖动容量80％的不变速拖动系统都采用交流电机，而只占20％的高控制性能可调速拖动则采用直流电机 。随着电力电子技术和控制理论的发展，原来一直由直流调速占领的应用领域，现在已逐步由交流调速取而代之；原来直流调速 难以应用的特大容量、极高转速和恶劣环境，现在由交流调速发挥了作用；原来使用交流传动但不调速的领域，通过采用交流调速传动，大大节约了能源 。 在数控领域，主轴传动、进给传动均采用交流传动， 主轴传动要求调速范围宽、静差率小；伺服进给系统 要求输出转矩大、动态响应好、定位精度高，都正在用异步电动机或同步电动机取代直流电动机。交流传动技术早期应用于工业生产上的产品是基于变压变频的VVVF系统，国内从60年代就开始研制这类产品， 像车床和磨床主轴的调速，这类产品动态响应和定位精度都不好，而且是转速开环的调速系统。而真正高性能的交流伺服产品的问世是在两大控制思想提出之后，它们的诞生使交流伺服系统在精细化方面大大迈进了一步。这两大控制思想是矢量控制和直接转矩控制 。
交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世纪80年代中期研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。随后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系统，国外的这些产品大多是基于异步电动机的。国内在基于异步电机交流伺服系统方面的研究比较晚，到目前为止还没有产品问世。国内很多学者把研究的重点放在永磁同步电机伺服系统上。本文以国家高技术研究发展计划 (863计划)“面向网络化数控的伺服驱动控制关键技术”为依托，提出了一种模块化可重构的交流伺服通用硬件系统结构。该系统以DSP和FPGA为内核， 以新一代智能功率模块ASIPM为驱动器。该系统配置相应的软件可以控制和驱动异步电机、永磁同步伺服电机、无刷直流电机，通过对FPGA的重新配置还可以驱动直流电机和三相感应式高压步进电机。
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关键词：交流伺服；可重构；DSP；FPGA
0引言 直流电机拖动和交流电机拖动在19世纪先后诞生。在20世纪，约占电力拖动容量80％的不变速拖动系统都采用交流电机，而只占20％的高控制性能可调速拖动则采用直流电机 。随着电力电子技术和控制理论的发展，原来一直由直流调速占领的应用领域，现在已逐步由交流调速取而代之；原来直流调速 难以应用的特大容量、极高转速和恶劣环境，现在由交流调速发挥了作用；原来使用交流传动但不调速的领域，通过采用交流调速传动，大大节约了能源 。 在数控领域，主轴传动、进给传动均采用交流传动， 主轴传动要求调速范围宽、静差率小；伺服进给系统 要求输出转矩大、动态响应好、定位精度高，都正在用异步电动机或同步电动机取代直流电动机。交流传动技术早期应用于工业生产上的产品是基于变压变频的VVVF系统，国内从60年代就开始研制这类产品， 像车床和磨床主轴的调速，这类产品动态响应和定位精度都不好，而且是转速开环的调速系统。而真正高性能的交流伺服产品的问世是在两大控制思想提出之后，它们的诞生使交流伺服系统在精细化方面大大迈进了一步。这两大控制思想是矢量控制和直接转矩控制 。
交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世纪80年代中期研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。随后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系统，国外的这些产品大多是基于异步电动机的。国内在基于异步电机交流伺服系统方面的研究比较晚，到目前为止还没有产品问世。国内很多学者把研究的重点放在永磁同步电机伺服系统上。本文以国家高技术研究发展计划 (863计划)“面向网络化数控的伺服驱动控制关键技术”为依托，提出了一种模块化可重构的交流伺服通用硬件系统结构。该系统以DSP和FPGA为内核， 以新一代智能功率模块ASIPM为驱动器。该系统配置相应的软件可以控制和驱动异步电机、永磁同步伺服电机、无刷直流电机，通过对FPGA的重新配置还可以驱动直流电机和三相感应式高压步进电机。
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