基于FPGA感应电机控制器的设计与研究

论文摘要

感应电机由于具有可靠性好、结构简单、价格低廉和体积小等优点,成为生产实践中应用最广泛的一种电动机。然而,感应电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变系统,这使得感应电机的控制十分复杂,尤其是在对控制精度要求比较高的场合,设计出高精度的感应电机控制系统变得非常困难。针对高精度感应电机控制较困难的问题,本文分析了感应电机的数学建模方法及电机控制策略问题。在对感应电机的数学模型进行了数学推导的基础上,在Matlab/Simulink平台上建立了感应电机的电机模型,提出了一种感应电机控制系统仿真建模的新方法。对常用的数字脉宽调制方法进行了数学推导及仿真研究,并将模糊控制理论应用于感应电机的变频调速系统中,改善了传统PI控制器超调较大、响应较慢、鲁棒性差的缺点。仿真结果验证模糊PI控制方案的优越性。在感应电机建模仿真的基础上,根据高精度感应电机控制器的需求及FPGA的特点,本文提出感应电机控制器的的设计方案。按照FPGA模块化设计思想,将整个系统进行了合理的划分,对SVPWM、Park变换、模糊PI控制器、反馈速度测量等重要模块的FPGA硬件实现算法进行了深入的研究。并在一些模块算法的设计上提出了自己的思路。各模块在Modelsim平台上完成功能仿真后并下载到Spartan-3E开发板上完成硬件验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 感应电机控制方法综述
• 1.3 电机控制器的发展
• 1.4 课题主要工作及论文结构安排
• 第二章 感应电机的数学模型
• 2.1 感应电机数学建模
• 2.1.1 三相坐标系下的数学模型
• 2.1.2 旋转坐标系（d,q）下的数学模型
• 2.1.3 两相静止坐标系（α, β）下的数学模型
• 2.1.4 两相同步旋转坐标系（M,T）下的数学模型
• 2.2 感应电机仿真模型
• 2.2.1 感应电机的本体模块
• 2.2.2 转速控制模块
• 2.2.3 转矩控制模块
• 2.2.4 坐标变换模块
• 2.2.5 电流控制模块
• 2.2.6 电压逆变模块
• 2.2.7 仿真结果
• 2.3 本章小结
• 第三章 模糊控制和矢量控制原理及仿真
• 3.1 模糊控制原理
• 3.1.1 模糊集合和隶属函数
• 3.1.2 模糊集合的表示方法和隶属函数
• 3.1.3 模糊控制
• 3.2 矢量控制原理
• 3.3 感应电机控制系统仿真研究
• 3.3.1 模糊PI 控制器
• 3.3.2 常用的PWM 技术
• 3.3.3 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 感应电机控制器的设计
• 4.1 控制器设计方案
• 4.1.1 控制器功能及性能要求
• 4.1.2 FPGA 设计流程
• 4.1.3 总体设计方案
• 4.2 系统模块的设计
• 4.2.1 Clarke 变换
• 4.2.2 Park 变换
• 4.2.3 模糊PI 调节模块
• 4.2.4 反馈速度接口模块
• 4.2.5 反馈电流接口模块
• 4.2.6 SVPWM 模块
• 4.3 本章小结
• 第五章 功能仿真及硬件验证
• 5.1 功能仿真
• 5.1.1 坐标变换模块仿真
• 5.1.2 模糊PI 控制器仿真
• 5.1.3 反馈速度接口模块仿真
• 5.1.4 SVPWM 模块仿真
• 5.2 基于Spartan-3E开发板的验证
• 5.2.1 FPGA 结构及特点
• 5.2.2 硬件验证及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2：作者在攻读硕士学位期间完成的项目