基于FPGA的交流电机变频调速系统-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名 ： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化专业设 计 题 目 ： 基于 FPGA 的交流 电机变频调速系统指 导 教 师 : 2013 年 3 月 30 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文献综述一、 研究背景及意义直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生，由于直流传动具有优越的调速性能，而交流传动的调速性能难以满足生产要求，因此，在20 世纪的大部分年代里，直流传动在电气传动领域一直占据着主导地位。随着生产技术的不断发展，直流传动成本高、效率低等缺点逐步暴露出来。这样人们便把目光转向了结构简单、运行可靠、便于维护而且价格低廉的交流电机，并致力于它的调速技术的研究 1,2。目前，交流调速己进入逐步替代直流调速的时代。纵观交流传动的发展过程，大致是沿着以下三个方向发展的 3：一个是取代直流调速以实现少维修、省力化为目标的高性能交流调速；另一个是以节能为目的，改恒速为调速，适用于风机、泵类、压缩机等通用机械的交流调速；第三个是直流调速难以实现的，特大容量与极高转速领域的交流调速。总而言之，现代交流调速技术的发展依赖于微电子学、电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术等的发展以及交流电动机制造技术的发展，是一门多学科交叉技术 4。目前，它已在冶金、机械、电气牵引、纺织等各个方面得到普遍应用，几乎遍及国民经济各部门的传动领域。二、国内外研究现状交流调速技术在国家建设和社会发展中发挥了越来越重要的作用，近年来一直是国内外很多大公司和高校研究的热点。当前交流调速技术研究和讨论的焦点是变频器矢量控制和直接转矩控制技术 5。二者都是在交流异步电动机高性能变频调速装置中得到广泛应用的两种控制方案，并且都已经普遍应用到实际的变频产品中。实际中存在这样的讨论研究，即矢量控制和直接转矩控制是否属于同一代的高性能交流调速技术。对于这个问题的讨论学者们普遍认为二者的理论基础都源于电动机的多变量非线性数学模型 6，两者都采用转速和磁链分别控制，在转速环内设置转矩环，可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链实现近似的解耦。因此，两种系统的基本控制结构是相同的。二者的不同之处在于：矢量控制系统采用转子磁链定向，实现了定子电流转矩分量与磁链分量的解耦，可以按线性系统理论分别设计转速和磁链调节器，实行连续控制，从而获得较宽的调速范围；但按转子磁场定向易受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性 7。直接转矩控制系统则采用转矩和磁链的砰砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；它控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；砰砰控制本身属于 P 控制，可以获得比 PI 调节更快的动态响应，但会不可避免地产生转矩脉动。因此矢量控制和直接转矩控制在本质上是相同的，都具有较高的静、动态性能，两种系统的具体控制方法不一样，因此具有不同特色和优缺点，除了普遍适用于高性能调速以外，又各有侧重的应用领域 8。总之矢量控制与直接转矩控制技术均是基于异步电机的动态模型，而且均采用外环为转速环，内环为转矩和磁链控制，从而实现转速和磁链的近似解耦，获得了较好的动态性能 9。矢量控制的研究重点在于矢量控制环路的结构、无速度传感器速度辨识和电机参数的离线和在线辨识。直接转矩控制的重点在于磁链和转矩自控制、脉冲优化选择器等方面。两者的目的都在于提高系统转矩控制动态响应、稳态转速精度和系统的鲁棒性。由于两种算法对于数字化要求非常高、对运算的速度要求也非常高，因此受CPU 速度的限制，真正高性能全数字化无速度传感器的变频器在数字信号处理器的快速发展下才陆续出现 10。在研究中，人们采用自适应控制来解决转子参数变化对按转子磁链定向准确度的影响，但研究成果很少得到实际应用，较多使用的是对转子电阻变化的温度补偿。现代智能控制方法可使被控系统不依赖于或较少依赖于控制对象的数学模型 11，因而能使控制系统不受或少受电机参数变化的影响，比较方便办法是采用单神经元构成的自适应 PID 控制器 12。三、相关文献空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）是针对交流电机变频驱动二提出的，器主要思想在于通过不同逆变器空间电压矢量的切换一伙的恒定圆形磁场 13。由于 FPGA 采用的是并行工作方式 14，使得整个 SVPWM 控制流程在几个时钟周期内就能处理完毕， ，采用FPGA 比采用 DSP 具有更好的实用性和更小的控制系统延时 15。FPGA 可以用 VHDL、Verilog 或 C 语言来编程，灵活性强，具有静态可重复编程和动态在线系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能。Verilog HDL 语言是一门标准硬件设计语言，它适合于电子系统设计的所有阶段。由于它容易被机器和人工阅读，因此它支持硬件设计的开发、验证、综合及测试，以及硬件设计数据的交流，便于维护、修改和最终硬件电路的获得。Verilog HDL 语言具有简单、直观和高效的特点。在各种设计里面，它采用标准的文本格式，具有多层级的抽象。HDL（Hardware Description Language，硬件描述语言）主要用来从事法级、门级到开关级的多种抽象设计层级的数学系统建模。被建模的数字系统对象既可以是简单的门，也可以是完整的数字电子系统。硬件描述语言的主要功能是编写设计文件，建立电子系统行为级的仿真模型，然后利用高性能的计算机对用 Verilog HDL 建模的复杂数字逻辑进行仿真，之后再对它进行自动综合以生成符合要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑表，接着根据适合某种工艺的器件自动生成具体电路，最后生成该工艺条件下具体电路的延时模型。仿真验证无误后用于写入 FPGA 中 16。参考文献：1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 第二版. 北京: 机械工业出版社, 1997: 55-90,218-2612 李华德. 交流调速控制系统. 北京: 电子工业出版社 , 2003: 1-8, 92-1503许大中. 交流电机调速理论. 浙江: 浙江大学出版社 , 1991: 98-1104 范正翘. 电力传动与自动控制系统. 北京: 北京航空航天大学出版社 , 2003:213-2205 陈伯时. 电力电子论坛(三)变频器矢量控制与直接转矩控制技术研讨会文集.北京,2004: 5-106 顾绳谷 . 电机及拖动基础 . 第二版. 北京: 机械工业出版社, 1998: 89-15419 陈伯时, 冯晓刚. 电气传动系统的智能控制. 电气传动. 1997, (1): 31-367 阮毅, 王红梅, 周家顺 , 陈伯时. 单神经元智能控制交流调速系统. 2003 台达电力电子新技术研讨会论文集 杭州, 2003: 6-118 肖倩华, 廖世海. 现代交流调速技术的应用和发展. 科技广场, 2005, (6): 114-1169 TSAI M F,CHEN H C.Design and implementation of a DPLD based SVWPM ASIC for variable-speed control of AC motor drivesC/IEEE Int.Conf.on Power Electronics and Drive Systems,2001:322-32810 胡云卿，白建华，詹晓东.基于 FPGA 的三相步进电机控制器J.机电工程，2009,26（1）：85-8811 张强，吴红星，谢宗武.基于单片机的电动机控制技术M.北京：中国电力出版社，200812Jal PAgrawalal Power Electronic Systems Theory and DesignBeijing,English reprint copyrighty PrenticeHall，Inc and Tsinghua University PressJ，2001(8)：223-31713杨小豹基于 FPGA 的变频调速系统设计与实现D厦 f-J 华侨大学，200614HLeHuyModeling and Simulation of electrical drivers using MatlabSimulink And Power System BlocketJthe 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Soeiety,DenverColorado：1603-161115NRNIdris，CCToll，MEEElbulukA New Torque and Flux Control for DirectTorqpe Control oflnduction MachinesIEEE Trans on IndustryApplication，2006，4(6)：1358-136516DCasadi，GSerra,ATaniStator Flux Vector Control for High Performance Induction Motor Drives Using Space Vector ModulationElectromotion,2002，2(2)：7986 毕 业 设 计 开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题要研究或解决的问题在本课题的研究过程中遇到的主要问题：明确交流电动机的工作原理、运行特性，包括电动机的启动和速度的控制调节，利用矢量控制策略和SVPWM波形调制技术在大规模继承FPGA芯片上设计出转矩控制方式下按转子磁链定向的矢量控制系统。二 、拟采用的研究手段（途径）SVPWM 原理是：从电机角度出发，把逆变器和交流电机视为一体，着眼于如何使电机获得恒定的圆形磁场，通过合理地改变逆变器的开关组合，在电机气隙机中模拟三相正弦波供电时交流电动机的圆形磁场，使电机运行特性得到改善。SVPWM 调制的基本原理是：用若干个开关电压矢量去逼近给点的参考空间电压矢量 Vref 。对任意的参考空间矢量 Vref 可以由与之相邻的两个开关电压矢量 VX 和 VX60 合成，这样根据参考电压矢量的幅值及相位可以确定相邻的两个非零电压矢量以及它们作用时间的长短，并依次得出零矢量的作用时间大小。于是即可得到所需的 SVPWM 波，从而得到定子所需的电压。交流电机的调速原理与方式：我们根据所学的电机学原理知识，可以得出交流电机的转速公式为:n=n0(1 一 s)=60f1(1-s)/p 式中可以看出，可以从以下三个变量来调节电机的转速。一是改变电机定子绕组的极对数，叫做变极调速。二是当电机旋转磁场的转速 n0 不变时，改变转差率 s，就叫做变转差率调速。三是改变供电电源的频率 f1，称为变频调速。(1)在恒定的频率条件下变极调速指的是通过改变定子绕组的接线方式、来改变电机定子绕组的极对数，最终达到改变旋转磁场和转子的转速目的。它既不是恒转矩调速也不是恒功率调速方式。机械特性比较硬，稳定性能好、没有转差损耗，接线简单、高效率、易于控制和维修、成本低是这种调速方法的优点。但是它不能平滑地调速，变级时的级差较大，受到电机的结构和制造工艺的限制，一般只能达到 2-3 种极对数的有极调速，调速范围相对来说比较有限.绕线型异步电动机的情况下，定子绕组改变极对数的相应地同时转子绕组也要改变其极对数，很麻烦，所用应用范围相对来说比较有限。(2)转子串电阻、调压、串极和滑差离合器等都属于变转差率调速的方法。电机的输出功率如公式:P=T=Ts(1-s)=PT-sPT其中 T 是电磁转矩， 是电机旋转磁场的速度， s 是旋转磁场的同步速度， ，是转差率。sP T 被称为交流电机的转差功率，可以看出转差功率的产生是由于转子阻抗的消耗。所以，当:增大时，电机的损耗也就随之增大，所以说调节电动机转差率 s，就会耗能，是一种非常低效的调速方式。(3)根据公式同步转速随着电机定子电源的频率而发生正比变化，这种调速方式称为变频调速。如果连续而平滑地改变定子电源频率就可以连续而平滑地改变调节电机的转速。它的调速范围比较广，可用在于笼型交流电机中，应用范围比较广，特性硬，精度高，对于低负载运行时间较多或者起停运行较为频繁的场合下，可以达到节能和保护电机的目的。缺点在于它的技术复杂，制造成本比较高并且维修检修起来比较困难。但是在转矩恒定条件下，s 基本不发生变化，损耗基本没有增加，相比较而言就是一种高效率的调速方法。SPWM 的 FPGA 实现：空间矢量脉宽调制模块主要有参考电压矢量产生单元、扇区判断单元、有效矢量作用时间计算单元、逆变器开关时间计算单元、三角载波产生单元、死区设置与脉冲形成单元。为了使各个模块输出保持同步，本研究加入同步时序脉冲发生器，以避免因各个模块延时时间不一样造成最后的输出紊乱。SPWM 调制模块数字逻辑电路结构框，采用这种基于模块化的 EDA 设计方法，每一个模块相当于一个（ Intellectual Property，IP ）子核