【摘 要】
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伺服系统应用领域的不断扩展对控制性能和响应速度提出了更高的要求,传统硅基器件受制于散热和损耗等问题,其开关频率难以提高,这严重制约了伺服系统响应速度的提升。随着宽禁带半导体的突破性发展,设计基于氮化镓（GaN）功率器件的伺服驱动器成为了可能,该方案在实现高开关频率的同时可以进一步提升控制环路的动态响应。但是,高开关频率下伺服系统的开关周期极短,传统的数字控制芯片无法在单周期内完成所有复杂控制算法。
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伺服系统应用领域的不断扩展对控制性能和响应速度提出了更高的要求,传统硅基器件受制于散热和损耗等问题,其开关频率难以提高,这严重制约了伺服系统响应速度的提升。随着宽禁带半导体的突破性发展,设计基于氮化镓（GaN）功率器件的伺服驱动器成为了可能,该方案在实现高开关频率的同时可以进一步提升控制环路的动态响应。但是,高开关频率下伺服系统的开关周期极短,传统的数字控制芯片无法在单周期内完成所有复杂控制算法。现场可编程逻辑门阵列（FPGA）因其高主频和并行执行的特点,能满足高开关频率下伺服系统的复杂运算要求。同时其具有半定制硬件电路的优势,能为实现电机控制专用集成电路（ASIC）芯片提供实验基础。因此,研究基于FPGA的GaN伺服系统设计具有十分重要的意义。本文首先对伺服系统的控制理论进行了分析,建立了永磁同步电机（PMSM）的数学模型。针对双闭环矢量控制策略下的环路控制器参数选取问题进行了理论推导,指出转动惯量的在线辨识是实现速度环控制器参数整定的关键。随后提出了一种基于降阶遗忘因子最小二乘的惯量辨识算法,该算法的计算量较小,易于数字实现,在离线和在线两种模式下均能实现参数的快速和准确辨识。其次设计了基于FPGA的GaN伺服系统。分析了高开关速度下GaN器件的dv/dt和di/dt问题,指出降低栅极回路阻抗和优化硬件布局的寄生参数是减小串扰的有效措施。在此基础上,在FPGA中完成了伺服系统的软件设计,通过分时复用的方式有效地减小了硬件资源的消耗,并结合时序优化技术将控制算法的主频提高到了203.05MHz。最后,在具体的实验中验证了所提出方案的可行性。在GaN基的双脉冲测试实验中,验证了本文设计驱动电路的有效性,并测试了器件在极端工况下的开关特性。通过开环和闭环实验测试,指出GaN功率器件在伺服系统上的应用能在100KHz的开关频率下将电流环的带宽提高到5KHz。此外,转动惯量辨识算法的实验结果表明,在线模式下的辨识收敛时间仅为2.2s,辨识稳态相对误差仅为1.43%。
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