基于FPGA的异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究

摘要

计算机控制技术的快速发展以及电力电子技术的日趋成熟，为异步电机交流调速系统的发展提供了理论及实际基础。同时，异步电机交流调速系统的控制也趋向数字化。简单的结构、可靠的工作性能以及制造容易等为异步电机突出的优点，因此被广泛应用于交流调速领域。在高性能的交流异步电机调速系统中，为克服速度传感器会带来的问缺点，深入研究无速度传感器技术具有广阔的发展前景以及实际意义。而随着FPGA器件的普及和发展，使FPGA能够实现复杂的控制算法。
　　本文以FPGA为控制核心，设计了一套异步电机无速度传感器矢量控制系统。首先，介绍了异步电机在静止坐标系和旋转坐标系下的数学模型以及矢量控制的基础理论和基于SVPWM调制的转子磁场定向无速度传感器控制系统的基本结构。其次，通过对异步电机的数学模型的分析，构造了模型参考自适应系统来辨识转子速度，同时，针对传统模型参考自适应系统中PI调节器存在的一些不足，本文设计了一种基于滑模控制的MRAS(SM MRAS)。该方法不仅可以提高系统的抗扰性，而且还提高了系统的鲁棒性。然后在Matlab/Simulink的环境下，搭建了无速度传感器矢量控制系统的仿真模型，并对传统的MRAS和基于滑模控制的MRAS的仿真结果进行了对比，结果表明基于滑膜控制的MRAS对速度的辨识有动态响应好、稳态误差小的优点。
　　最后，以ALTERA公司的EP4CE10E22C8为控制器，搭建了控制系统的实验平台，对FPGA控制电路、驱动电路、检测电路等进行了设计。软件部分，以Verilog为编程语言，在QUARTUSⅡ的编程环境下，设计了坐标变换模块、转速辨识模块、SVPWM模块以及数字PI模块等，并在Modelsim环境下对其进行了仿真。在实验平台上对系统进行了初步的实验验证，结果表明基于滑模控制的MRAS速度估算的正确性，控制系统具有良好的性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 电机矢量控制发展概述

1．3 无速度传感器技术的研究及趋势

1．4 电机控制器的发展

1．5 本文主要研究内容

第2章 异步电机的矢量控制

2．1 坐标变换

2．1．1 Clark变换(3s/2s)

2．1．2 Park变换(2s/2r)

2．2 异步电机的数学模型

2．2．1 三相ABC坐标系下的数学模型

2．2．2 两相αβ坐标系下的数学模型

2．2．3 两相dq坐标系下的数学模型

2．3 电压型逆变器的数学模型

2．4 矢量控制的基本原理

2．5 转子磁场定向控制

2．5．1 直接磁场定向

2．5．2 间接磁场定向

2．6 电压空间矢量调制技术

2．6．1 SVPWM算法的实现

2．6．2 60°坐标系

2．6．3 扇区选择及矢量作用时间

2．6．4 60°坐标系下SVPWM算法的仿真

2．7 本章小结

第3章 基于SM MRAS的速度观测器

3．1 无速度传感器控制系统的结构

3．2 模型参考自适应的基本理论

3．2．1 模型参考自适应的结构

3．2．2 popov超稳定性定理

3．3 基于传统的MRAS转子速度估算

3．3．1 传统MRAS速度辨识的推导

3．3．2 MRAS系统的正实性证明

3．4 基于SM MRAS的转子速度估算

3．4．1 滑模控制的基本理论

3．4．2 基于SM MRAS的速度辨识推导

3．4．3 滑模变结构控制律的设计

3．5 本章小结

第4章 无速度传感器控制系统的仿真

4．1 无速度传感器矢量控制系统的仿真设计

4．1．1 电流环调节器的设计

4．1．2 速度环调节器的设计

4．2 无速度传感器矢量控制系统的建模与仿真

4．2．1 MRAS与SM MRAS速度辨识仿真结果对比

4．2．2 基于SM MRAS的无速度传感器矢量控制系统的动态响应仿真

4．3 本章小结

第5章 控制系统的实现与实验研究

5．1 控制系统的总体结构

5．2 硬件系统设计

5．2．1 主电路设计

5．2．2 检测电路设计

5．2．3 控制电路设计

5．3 软件系统设计

5．3．1 系统时钟管理

5．3．2 PI调节器

5．3．3 速度辨识的数字化实现

5．3．4 转子磁链位置θ的计算

5．3．5 Clark变换模块

5．3．6 Park变换模块

5．3．7 SVPWM模块

5．4 控制系统实验及结果分析

5．4．1 控制系统实验平台介绍

5．4．2 实验结果分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢