基于FPGA的转塔测角及驱动控制系统研究

论文摘要

目前转塔系统在航天工业、兵器工业以及自动化控制工业应用越来越来广泛。伴随着相关技术的发展,对转塔系统的要求也越来越高,要求精度高、响应快,能快速的跟踪目标、到达指定位置,实现精密定位、速率跟踪和随动功能等等。本课题以转塔设计项目为背景,构建了转塔的测角系统及驱动控制系统,对二者,重点是双通道测角系统进行了相关的研究、分析工作。首先,论文对双通道测角系统进行了研究。为了提高测角精度进而提高整个转塔系统的精度,本设计采用双通道测角系统。论文分析了双通道旋转变压器的工作原理、双通道测角系统的原理,对测角系统的主要部分:激磁电源、轴角变换、粗精耦合进行了设计分析。为了尽可能地提高精度,对测角系统的可能误差进行分析,并提出了误差补偿的方法。其次,针对采用专用轴角转换芯片的测角系统存在的某些不足,论文运用FPGA构造数字RDC,进而构成基于数字RDC的测角系统,对作为核心部分的数字RDC算法进行了研究。分别研究了基于改进CORDIC算法、基于锁相环、基于隆伯格观测器的三种数字RDC算法,并进行了比较分析。之后对三种算法利用MATLAB/Simulink进行仿真研究,验证了各算法的正确性。再次,论文对转塔系统采用的基于FPGA的永磁同步电机的驱动控制系统进行了分析,主要分析了永磁同步电机的数学模型及其控制策略。最后,分别构建了转塔测角系统和驱动控制系统的硬件结构,设计了相关的电路。利用Verilog-HDL语言开发了数字RDC测角系统和驱动控制系统的三角函数计算、PID控制器、坐标变换、SVPWM等功能模块,并对主要模块进行了仿真和实验验证。最终,通过相关实验结果对论文的研究工作进行了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 转塔测角系统的研究现状
• 1.3 电机驱动控制系统的研究现状
• 1.4 论文研究的主要内容及安排
• 第2章 双通道测角系统的研究
• 2.1 引言
• 2.2 双通道旋转变压器的工作原理和测角方式
• 2.2.1 双通道旋转变压器的工作原理
• 2.2.2 旋转变压器的测角方式
• 2.3 双通道测角系统原理
• 2.3.1 测角系统激磁电源设计
• 2.3.2 测角系统RDC原理
• 2.3.3 双通道测角系统的粗精耦合
• 2.4 测角系统的误差分析与误差补偿
• 2.4.1 零位误差与幅值误差
• 2.4.2 函数误差
• 2.4.3 轴角变换器AD2S80A的变换误差
• 2.4.4 跟踪误差
• 2.4.5 误差补偿方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 双通道测角系统数字RDC算法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于改进CORDIC的数字RDC算法
• 3.2.1 改进CORDIC算法的基本原理
• 3.2.2 基于改进CORDIC的数字RDC算法流程
• 3.3 基于锁相环的数字RDC算法
• 3.3.1 基于锁相环的数字RDC算法基本原理
• 3.3.2 基于PLL数字RDC的测角系统分析
• 3.4 基于隆伯格观测器的数字RDC算法
• 3.4.1 隆伯格观测器基本原理
• 3.4.2 基于隆伯格观测器的数字RDC算法基本原理
• 3.4.3 基于隆伯格法数字RDC的测角系统分析
• 3.5 比较三种数字RDC算法
• 3.6 仿真分析
• 3.6.1 改进CORDIC法的仿真验证
• 3.6.2 PLL法的仿真分析
• 3.6.3 隆伯格观测器法的仿真分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 转塔驱动控制系统的实现
• 4.1 引言
• 4.2 永磁同步电机的数学模型及其矢量控制
• 4.2.1 永磁同步电机的数学模型
• 4.2.2 永磁同步电机的矢量控制
• 4.3 转塔的PMSM驱动控制系统
• 4.4 转塔驱动控制系统的硬件设计
• 4.4.1 转塔系统组成
• 4.4.2 转塔测角系统硬件电路设计
• 4.4.3 转塔驱动控制系统硬件电路设计
• 4.5 系统软件主要模块
• 4.5.1 SVPWM模块
• 4.5.2 PID控制器模块
• 4.5.3 CORDIC模块
• 4.5.4 电流采样模块
• 4.6 相关实验结果
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢