基于FPGA的风机远程控制器硬件系统设计

论文摘要

由于常规能源有限以及常规能源的使用带来的日益严重的环境污染问题,人类开始致力于探索发展清洁可再生能源。风能作为廉洁的绿色能源之一,已经逐渐的开始受到人们的特别关注,风力发电技术成为人们利用风能的重要手段。风力发电机长期工作在无人职守的条件下,因此风力发电机控制系统的稳定性与可靠性是保障风力发电机高效运行的重要环节。目前国内的风力发电机控制器多采用通用的计算机平台或PLC,而专用的风力发电机控制器技术则被国外风力发电机厂商所垄断。本文根据国际电工委员会相关的风力发电机控制器电气标准（IEC61400-1）,结合实际功能,设计了风力发电机远程控制器。该控制器主要任务是在机组运行过程中,将开关量输入信号、模拟量输入信号、频率信号通过相关的采集电路输入FPGA控制器,FPGA控制器进行处理后通过通信接口传输给主控制器,然后根据主控制器的指令输出信号给相应的执行机构,从而完成各种控制功能,确保机组安全运行。本文从三个方面介绍了风力发电机远程控制器。首先,研究了风力发电的相关理论以及风力发电整个控制系统的工作原理。其次,设计了控制器的硬件电路,包括风速风向采集电路、温度采集电路、输入输出电路、通讯接口等,从而实现控制器信号采集、输入输出控制。最后,设计了控制器通信接口,包括RS232、CAN总线接口和以太网接口,详细研究了CAN总线通信的相关协议、以太网的TCP/IP协议。根据协议编写了相关的应用程序,从而实现通信功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 风力发电技术在国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 国外风力发电技术的发展及现状
• 1.2.2 我国风力发电技术的发展及现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 风力发电机的控制理论
• 2.1 风能的相关理论
• 2.2 风力发电机组的基本结构
• 2.3 风力发电机组输出功率控制方式
• 2.3.1 变桨距调节型风电机技术
• 2.3.2 主动定桨距调节型风电机技术
• 2.3.3 变速恒频风电机技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 远程控制器的设计要求及规范
• 3.1 风电机组电控系统的基本结构
• 3.2 远程控制器的设计要求
• 3.3 远程控制器运行信号分析
• 3.4 风电机组电控系统设计的基本要求与规范
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 环境条件和电网条件
• 3.4.3 控制柜和元器件
• 3.4.4 电磁兼容性
• 3.4.5 冗余技术和相异技术
• 3.4.6 控制系统设计的原则和要求
• 3.4.7 控制功能和参数
• 3.5 本章小结
• 第四章 风机远程控制器的硬件设计
• 4.1 微控制器的选取
• 4.2 外围电路的设计
• 4.2.1 电源电压转换模块设计方案
• 4.2.2 时钟模块设计方案
• 4.2.3 调试接口模块设计方案
• 4.2.4 JTAG 接口
• 4.2.5 AS 接口
• 4.3 模拟信号输入电路
• 4.3.1 AD7705 简介
• 4.3.2 AD7705 主要特点
• 4.3.3 数据接口和读写周期时序
• 4.3.4 温度测量电路
• 4.3.5 风向测量电路
• 4.4 软件介绍
• 4.4.1 VerilogHDL 硬件描述语言
• 4.4.2 QuartusⅡ软件
• 4.4.3 AD7705 的FPGA 驱动模块设计
• 4.5 显示电路设计与编程
• 4.5.1 硬件电路设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 通讯接口硬件实现与规范
• 5.1 RS-232 通信接口的电路设计
• 5.2 CAN 总线通信简介
• 5.3 CAN2.0 技术规范
• 5.3.1 CAN2.0 技术规范特点
• 5.3.2 CAN 总线物理介质
• 5.3.3 帧类型
• 5.4 CAN 总线的硬件原理
• 5.5 以太网通信接口
• 5.5.1 网络协议的层次结构
• 5.5.2 IP 网际协议
• 5.5.3 TCP 传输控制协议
• 5.5.4 以太网的硬件电路
• 5.6 本章小节
• 第六章 通讯接口的软件实现
• 6.1 串口通信的实现
• 6.2 CAN 总线通信的的实现
• 6.2.1 MCP2515 初始化程序设计
• 6.2.2 发送报文程序设计
• 6.2.3 接收报文程序设计
• 6.3 以太网的软件实现
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 附录
• 致谢