基于FPGA无速度传感器矢量控制系统的研究

论文摘要

由于矢量控制中要求电动机的转速严格地和给定转速保持一致,这就需要对转速进行反馈。一般的转速反馈需要在变频器的外部附加测试装置,但由于在测速装置的安装与维护等的过程中出现了一系列的问题,国内外专家从不同的角度进行分析,提出了多种无速度传感器矢量控制方法。无速度传感器矢量控制就是说在了解电动机参数的前提下,只需要检测电动机的端电压和电流,就能算出转子磁通及其角速度,并进而推算出转矩电流指令和励磁电流指令,实现矢量控制。无速度传感器矢量控制中的方法之一—模型参考自适应控制方式是对参考模型和实际过程的输出或状态进行比较,并通过自适应控制器(或自适应律)去调整线性控制器的某些参数,或产生一个辅助输入,以使在某种意义下实际输出与参考模型输出之间的偏差尽可能的小。本文采用这种方法,对感应电机数学模型进行推理,结合感应电机中电压模型与电流模型与角速度ω的关系,设定电压模型为参考模型,电流模型为可调模型,以电压模型的输出作为转子磁链的期望值,电流模型的输出作为转子磁链的推算值,从而设计出转速自适应辨识系统框图。然后采用空间电压矢量脉宽调制方式,并将模糊控制理论应用于感应电机的变频调速中,最后在MATLAB/Simulink平台上建立了无速度传感器矢量控制的整体模型框图。仿真结果表明,模型参考自适应更能较好地估计电机的磁链及转速,具有良好的稳态辨识特性。在MATLAB/Simulink仿真成功后,再根据感应电机控制器的需求及FPGA数据处理速度高的特点,本文还提出了基于FPGA的无速度传感器矢量控制的设计方案。按照FPGA模块化设计思想,将整个系统进行了合理的划分,对其中反派克变换、空间电压矢量技术、模数转换及模糊PID控制器等重要模块的实现算法进行了详细的分析与深入的研究。最后各模块通过QUARTUSII自带仿真软件进行仿真,通过功能仿真结果,表明该方案具有较好的在线调速性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 交流电机调速系统的发展概况
• 1.2 无速度传感器矢量控制的现状及研究方向
• 1.2.1 无速度传感器矢量控制的现状
• 1.2.2 无速度传感器矢量控制的控制方式
• 1.2.3 无速度传感器矢量控制的研究方向
• 1.3 课题的研究背景及意义
• 1.4 本课题的主要内容
• 第2章 感应电动机的数学模型和坐标变换
• 2.1 感应电动机的数学模型
• 2.2 矢量控制理论基础
• 2.2.1 矢量控制的基本思想
• 2.2.2 矢量控制原理
• 2.3 感应电机坐标变换
• 2.4 不同坐标系下的数学模型
• 2.5 SVPWM调制技术
• 2.5.1 空间矢量的定义
• 2.5.2 电压与磁链空间矢量的关系
• 2.5.3 SVPWM控制
• 2.6 本章小结
• 第3章 模型参考自适应矢量控制系统的设计
• 3.1 模型参考自适应系统的概述
• 3.1.1 模型参考自适应控制原理
• 3.1.2 李雅普诺夫稳定性理论
• 3.2 转子磁链观测器
• 3.2.1 转子磁链电流模型
• 3.2.2 转子磁链电压模型
• 3.2.3 转子磁链改进电压模型
• 3.3 基于模型参考自适应的自适应转速估计
• 3.4 本章小结
• 第4章 无速度传感器矢量控制系统的仿真
• 4.1 模糊自适应PID的原理
• 4.2 基于模型参考模糊自适应矢量控制的仿真实现
• 4.2.1 MATLAB软件介绍
• 4.2.2 模型参考模糊自适应矢量控制MATLAB仿真
• 4.3 无速度传感器矢量控制子模块介绍
• 4.3.1 SVPWM模块仿真模型
• 4.3.2 速度辨识模块及仿真
• 4.3.3 模糊自适应PID 模块
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 SVPWM 仿真结果
• 4.4.2 基于SVPWM 的无速度传感器矢量控制仿真波形
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于 FPGA 的无速度传感器矢量控制系统的设计
• 5.1 FPGA 设计环境介绍
• 5.1.1 Cyclone II系列FPGA的结构
• 5.1.2 FPGA开发软件Quartus II简介
• 5.2 控制器总体设计方案
• 5.3 FPGA控制电路设计
• 5.3.1 反Park变换模块设计
• 5.3.2 SVPWM模块设计
• 5.3.3 AD采样控制模块
• 5.3.4 PID模块
• 5.3.5 串口通信RS232
• 5.4 人机接口设计
• 5.4.1 4×4键盘输入模块
• 5.4.2 LED显示模块
• 5.5 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢