基于FPGA的异步电动机直接转矩控制系统的研究与设计

摘要

随着电力电子技术与交流控制技术的快速发展，电动叉车的交流驱动控制技术得到了飞速的发展。同时，交流控制系统也由模拟控制转向数字控制。直接转矩控制省去了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，其控制手段直接、控制思想新颖、控制结构简单，是一种具有良好的静态与动态性能的交流调速方法。EDA技术和FPGA器件的快速发展，使得单独采用FPGA完成复杂的控制算法得以实现，并且FPGA具有处理速度高、可靠性好、可重构等优点，近年来得到了广泛的应用。因此采用FPGA研究高性能的电动叉车驱动控制系统有着重要的意义。
　　本文主要采用FPGA设计了一套能应用于电动叉车的直接转矩控制系统。首先，介绍了异步电动机在三相静止和两相静止坐标系下的数学模型以及直接转矩控制的基本思想、传统直接转矩控制系统和基于SVPWM的直接转矩控制系统的基本结构和特点。其次，在分析传统理想的SVPWM和加入死区的SVPWM的基础上，改进了SVPWM调制方法，消除了死区效应对输出波形的影响。通过仿真分析和实验验证了新型SVPWM方法的正确性。然后，对直接转矩控制系统进行了软硬件的设计。其中，硬件设计包括功率主电路设计、驱动电路设计、检测反馈电路和FPGA控制电路设计;软件设计包括矢量变换模块设计、磁链和转矩观测模块设计、SVPWM模块设计、数字滤波模块设计、数字PI模块设计和速度检测模块设计等，并在Modelsim中对软件模块进行了RTL级的仿真验证，证明了方法的可行性。
　　最后，在Matlab/Simulink中搭建了直接转矩控制系统的仿真模型，仿真结果表明控制系统具有很好的动态响应和稳态精度。而且在硬件平台上，进行驱动电路和直接转矩控制系统的实验，实验结果表明系统的驱动电路工作良好，系统运行稳定，动态性能良好，符合设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 电动叉车的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 直接转矩控制的研究现状

1．3．1 离散空间电压调制型直接转矩控制

1．3．2 基于空间电压矢量(SVPWM)的连续调制型直接转矩控制

1．3．3 现代控制理论与空间电压矢量调制的结合

1．4 电机控制器的发展

1．5 本文主要研究内容

第2章 异步电动机的直接转矩控制

2．1 坐标变换

2．1．1 三相静止—两相静止变换(3s／2s)

2．1．2 两相静止—两相旋转变换(2s／2r)

2．2 异步电动机的数学模型

2．2．1 三相异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型

2．2．2 异步电动机在两相静止坐标系(αβ坐标系)上的数学模型

2．3 电压型逆变器的数学模型

2．4 直接转矩控制的基本思想

2．5 传统DTC控制系统的构成

2．5．1 定子磁链的估算

2．5．2 电磁转矩的估算

2．5．3 磁链和转矩比较(调节)器及电压矢量查询表

2．5．4 定子电压的重构

2．5．5 系统的整体构成

2．6 基于空间电压矢量调制的直接转矩控制

2．7 改进的定子磁链观测器

2．8 本章小结

第3章 新型SVPWM调制算法

3．1 理想SVPWM分析

3．1．1 开关顺序

3．1．2 作用时间计算

3．2 SVPWM+死区分析

3．3 新型SVPWM的实现

3．3．1 开关顺序及矢量的合成

3．3．2 作用时间的计算

3．4 新型SVPWM的仿真分析

3．5 本章小结

第4章 基于FPGA的直接转矩控制系统实现

4．1 基于电动叉车的硬件系统设计

4．1．1 控制系统总体构成

4．1．2 功率电路的设计

4．1．3 驱动电路设计

4．1．4 检测反馈电路设计

4．1．5 电平转换电路

4．1．6 FPGA控制电路设计

4．2 软件系统设计

4．2．1 全局时钟管理模块

4．2．2 3s／2s坐标变换模块

4．2．3 2r／2s变换模块

4．2．4 磁链和转矩观测模块

4．2．5 SVPWM模块

4．2．6 数字滤波模块

4．2．7 数字PI模块

4．2．8 速度检测模块

4．3 本章小结

第5章 系统仿真与实验分析

5．1 基于SVPWM的直接转矩控制系统的仿真分析

5．1．1 系统模型的建立

5．1．2 仿真结果分析

5．2 控制系统实验及结果分析

5．2．1 电动叉车实验平台介绍

5．2．2 实验结果分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢