基于FPGA的开关磁阻发电机控制系统的设计

论文摘要

开关磁阻发电机具有结构简单、控制灵活、容错能力强并且能适应恶劣的工作环境等特性,使其在当今高速发展的电力电子和微控技术的支持下获得了良好的可控性能。因此,近几年来开关磁阻发电机在航空、舰船、汽车及风力发电等领域获得了广泛应用,越来越引起不少专家、学者的研究兴趣。本文围绕开关磁阻发电机在风力发电领域中的应用,主要研究开关磁阻发电机控制系统的设计。结合开关磁阻发电机的基本方程式,在MATLAB/SIMULINK中原有的6/4极开关磁阻电机(Switched Reluctance Motors,简称SRM)模块基础上建立了12/8极开关磁阻电机发电系统的仿真模型,在此模型的基础上对开关磁阻发电机输出功率的测量及相关控制参数进行了分析研究,并提出了模数混合滤波实现功率测量的方法并进行了仿真验证。为提高开关磁阻发电系统的效率,本文以磁链特性为出发点,设计了优化控制器,在线计算优化开关角,不仅使开关磁阻发电机能够得到较好的稳态和动态性能,同时可以提高发电系统的效率。采用模拟器件和FPGA相结合的方案进行开关磁阻发电系统控制器的设计和实现。模拟电路完成发电系统的电流、电压及位置信号等的获取。以FPGA为核心的数字电路综合处理各种参数,最后输出逻辑脉冲信号,控制功率变换器中开关管的开通与关断状态,控制励磁电流,最终实现对开关磁阻发电系统输出功率的控制。最后,对系统控制器进行了测试,验证了设计的正确性。本文设计的基于FPGA的开关磁阻发电控制系统,具有快速、准确的跟踪能力及较高的可靠性,为今后开关磁阻发电系统的进一步研究和开发奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 开关磁阻风力发电系统
• 1.2.1 风力发电原理
• 1.2.2 SRG作为风力发电机具有的特点
• 1.3 SRG国内外研究现状
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第二章 SRG基本理论
• 2.1 SRG工作原理
• 2.2 SRG数学模型
• 2.2.1 SRG基本方程式
• 2.2.2 机电联系方程
• 2.3 SRG建模及分析
• 2.3.1 SRG的线性模型
• 2.3.2 SRG的非线性模型
• 2.4 SRG功率变换器
• 2.5 SRG基本控制方式
• 2.6 本章小结
• 第三章 SRG发电系统的仿真研究
• 3.1 系统仿真模型
• 3.1.1 12/8极SRG模块
• 3.1.2 功率变换器模块
• 3.1.3 电流控制器模块
• 3.1.4 位置角传感器模块
• 3.2 功率测量分析
• 3.2.1 信号分析
• 3.2.2 测量分析
• 3.2.3 模数混合滤波法
• 3.3 控制参数仿真分析
• 3.4 效率最优控制
• 3.4.1 SRG发电效率分析
• 3.4.2 开关角优化分析
• 3.4.3 优化控制器设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于FPGA的SRG系统设计
• 4.1 SRG驱动系统结构
• 4.2 硬件设计
• 4.2.1 功率驱动电路
• 4.2.2 FPGA数字控制电路
• 4.2.3 控制器外围电路
• 4.3 软件设计
• 4.3.1 电流控制器
• 4.3.2 功率控制器
• 4.3.3 转速计算模块
• 4.3.4 辅助模块
• 4.4 软件实现与测试
• 4.4.1 电流测试
• 4.4.2 功率测试
• 4.4.3 转速测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间的学术论文