基于FPGA的锁相环飞轮稳速控制实现技术研究

论文摘要

针对飞轮稳速控制系统高精度的要求,目前广泛采用锁相环控制方案,其实现方法有锁相环专用芯片、基于DSP的软件锁相环和基于FPGA的数字锁相环三种。FPGA实现锁相环控制,不仅运算速度快,而且可以并行处理,从而能够克服运算量大、运算时间长等缺点,因此本文确定采用基于FPGA的锁相环控制方案。首先,为了验证锁相环电机控制系统的性能,从锁相环工作原理入手,分别建立了锁相环电路的鉴频鉴相器、环路滤波器和压控振荡器模型,在此基础上构建了飞轮电机的锁相环控制系统模型,并根据稳定性理论分析给出锁相环控制系统的最低转速极限,仿真结果表明了锁相环控制方案能够满足系统的性能指标。其次,在模型仿真验证的基础上,采用FPGA完成了十状态流的鉴频鉴相器、IIR环路滤波器、PWM脉宽调制和换相逻辑等锁相环各个功能模块的设计,并进行了波形仿真验证。针对锁相环飞轮稳速控制系统的硬件实现,完成了H桥逆变驱动电路以及限流保护和泵升泄放电路,构建了基于FPGA的锁相环飞轮稳速控制系统平台。最后,对搭建的锁相环控制系统平台,进行了飞轮稳速控制实验,验证了鉴频鉴相、环路滤波、PWM脉宽调制、换相逻辑等模块的功能,并在设定转速下验证了系统的控制性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 飞轮系统的应用及其发展现状
• 1.3 锁相环控制技术的研究现状
• 1.4 论文主要内容及章节安排
• 第2章 飞轮稳速系统建模与仿真分析
• 2.1 引言
• 2.2 飞轮稳速系统中的电机模型
• 2.2.1 飞轮电机的组成及工作原理
• 2.2.2 飞轮电机的数学模型
• 2.3 基于锁相环的飞轮稳速系统模型
• 2.3.1 锁相环的结构及工作原理
• 2.3.2 基于锁相环的飞轮稳速系统模型
• 2.3.3 锁相环控制方法仿真分析
• 2.4 锁相环控制系统低速分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 锁相环飞轮稳速系统的FPGA实现
• 3.1 引言
• 3.2 锁相环控制系统总体设计
• 3.3 锁相环电路的FPGA实现
• 3.3.1 鉴频鉴相器的设计
• 3.3.2 环路滤波器的设计
• 3.3.3 PWM模块的设计
• 3.3.4 换相模块的设计
• 3.3.5 六倍频模块的设计
• 3.4 锁相环控制系统的外围电路设计
• 3.4.1 逆变电路
• 3.4.2 限流保护电路
• 3.4.3 泵升泄放电路
• 3.5 本章小结
• 第4章 锁相环飞轮稳速系统实验与分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验说明
• 4.3 实验结果分析
• 4.3.1 鉴频鉴相功能分析
• 4.3.2 脉宽调制与限流保护功能分析
• 4.3.3 非理想反电势下的相电流实验分析
• 4.3.4 锁相环稳速实验分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢