基于SOPC的交流变频控制的研究与应用

论文摘要

随着半导体业的快速发展,特别是数字信号处理器的出现,以及精确的异步电机模型和各种先进的控制策略的提出,很大的促进了电机控制的发展,使得精度高、调速范围宽、控制性能好的电机控制器的实现成为可能。本课题是以FPGA芯片Cylone系列EP1C6F256作为目标器件,通过设计NiosⅡ处理器软核,结合相关的外围电路,运用新型的SVPWM控制方法,设计了交流异步电动机变频系统。通过软硬件结合的方法,改善了电机的输出转矩,使异步电动机的性能得到提高。系统的主电路主要由三部分组成:整流部分、中间滤波部分和逆变部分,分别用cell 15A/1000V的单相全波整流桥、电解电容电路和智能功率模块PS21867实现,并设计了过流检测电路、过压检测电路和温度控制电路.其中对逆变器IPM的驱动是控制电路的核心,也是系统实现的主要部分。为此本课题采用HDL语言设计了SVPWM信号发生组件,并在SOPC Builder环境下得以实现。SVPWM信号发生组件从硬件电路的角度实现了对IPM的驱动,较好的实现了对控制的实时响应。文中阐述了交流异步电机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量输入输出系统,介绍了交流电机的正弦脉宽调制、开环电压空间矢量的U/F控制和磁场定向控制的原理及控制算法。并利用NiosⅡ架构控制系统,通过C语言编程实现了上述的变频调速控制策略。论文中使用MATLAB/SIMULINK进行了仿真分析,并且给出了实验结果和波形分析。通过实验证明:该调速控制系统可以实现在5～50Hz范围内平滑调速,且具有良好的动静态调速性能,实验结果验证了系统设计的有效性、可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和研究意义
• 1.2 交流变频技术的发展概述及其应用
• 1.2.1 电力电子技术的发展
• 1.2.2 变频控制理论的发展
• 1.2.3 SOPC技术的发展
• 1.3 变频器的分类与选择
• 1.3.1 按变换环节分类
• 1.3.2 按电压调制方式分类
• 1.3.3 按储能方式分类
• 1.3.4 变频技术的发展趋势、展望
• 1.4 本课题的研究背景及主要任务
• 2 交流异步变频调速基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 交流异步电机基本原理
• 2.3 恒压频比控制法
• 2.4 SPWM技术
• 2.5 电压空间矢量SVPWM
• 2.5.1 电压空间矢量的三相功率逆变器
• 2.5.2 基本电压空间矢量的形成
• 2.5.3 电压空间矢量调制的算法实现
• 2.6 本章小结
• 3 交流异步电机的矢量控制
• 3.1 引言
• 3.2 异步电机的矢量控制基本原理
• 3.3 矢量空间控制坐标变换
• 3.3.1 Clarke变换
• 3.3.2 Park变换
• 3.4 异步电机的数学模型
• 3.4.1 转子磁链观察法
• 3.5 转速-电流双闭环矢量控制系统
• 3.6 交流异步电机的矢量控制的硬件实现
• 3.7 本章小结
• 4 交流变频控制系统的硬件电路设计
• 4.1 引言
• 4.2 主电路的设计
• 4.2.1 逆变电路
• 4.2.2 门极驱动隔离电路
• 4.2.3 整流滤波电路
• 4.3 保护电路
• 4.4 FPGA外围配置电路设计
• 4.5 本章小结
• 5 SOPC软核设计与控制软件实现
• 5.1 引言
• 5.2 系统总体结构
• 5.3 NiosⅡ处理器中自定义组件的设计
• 5.3.1 SVPWM信号发生组件的设计
• 5.3.2 开关状态保持时间组件的设计
• 5.4 NiosⅡ处理器系统整体设计
• 5.5 通用变频器的控制软件设计
• 5.5.1 NiosⅡ IDE开发环境简介
• 5.5.2 软件设计概述
• 5.6 本章小结
• 6 仿真分析与试验结果
• 6.1 引言
• 6.2 基于MATLAB的仿真实验
• 6.3 实验结果分析
• 结论
• 参考文献
• 附录A 软核顶层设计图
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果