基于FPGA的永磁同步电机控制器的研究

论文摘要

随着电力电子技术、微处理器技术、控制理论及永磁材料等技术的快速发展,以永磁同步电机作为控制对象的传动领域得到了越来越广泛的关注,随着FPGA的技术的普及和广泛应用,使得各种先进的控制算法得以实现,于是数字化、智能化的永磁交流控制器成为必然的发展趋势和当前的研究热点。本文的主要工作就是围绕数字化的永磁同步电机控制器研究来展开。首先深入研究了永磁同步电机的数学建模方法及电机控制策略问题。在对永磁同步电机的数学模型进行了推导的基础上,在PSIM仿真软件中建立了永磁同步电机的电机模型,提出了一种永磁同步电机传统控制系统仿真建模的新方法。其次对常用的数字脉宽调制方法进行了数学推导,并对滑模控制理论和矢量控制进行了深入的研究分析,将滑模变结构控制应用于永磁同步电机的调速系统中,改善了传统PI控制器参数整定繁琐、系统鲁棒性差的缺点,仿真结果验证了该系统设计方案的优越性。最后在永磁同步电机建模仿真的基础上,根据永磁同步电机控制器的设计要求及FPGA的特点,提出永磁同步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,分别对SVPWM、Park变换、SMC、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。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,验证结果表明:永磁同步电机在低速和高速时都能稳定运行,从而证实了本设计方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 永磁同步电机介绍
• 1.3 永磁同步电机控制理论的发展
• 1.3.1 交流调速理论
• 1.3.2 新型控制理论
• 1.4 永磁同步电机控制器的实现方式
• 1.5 本文研究的意义及主要内容
• 第二章 永磁同步电机基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.3 永磁同步电机控制系统的控制策略
• 2.3.1 电流控制策略
• 2.3.2 脉宽调制策略
• 2.3.3 速度控制策略
• 2.4 基于传统控制方法的交流控制系统的建模与仿真
• 2.4.1 仿真模型
• 2.4.2 仿真结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 永磁同步电机的控制方案
• 3.1 引言
• 3.2 空间矢量脉宽调制技术
• 3.3 滑模变结构控制
• 3.3.1 滑模控制的基本原理
• 3.3.2 滑模控制器的设计
• 3.3.3 滑模控制的若干问题
• 3.4 速度控制系统滑模控制的仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 永磁同步电机数字控制器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 FPGA总体设计方案
• 4.3 系统模块设计及功能仿真
• 4.3.1 Clarke变换
• 4.3.2 Park变换
• 4.3.3 SMC控制模块
• 4.3.4 速度反馈接口模块
• 4.3.5 反馈电流模块
• 4.3.6 SVPWM模块
• 4.3.7 参考速度设置模块
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验结果及其分析
• 5.1 引言
• 5.2 基于Spartan—3E开发板的硬件验证及分析
• 5.2.1 电流环实验
• 5.2.2 转速环实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文及所获奖励