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基于FPGA的锁相环飞轮稳速控制实现技术研究

作　者: 宋聪聪
导　师: 赵辉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: FPGA 锁相环鉴频鉴相脉宽调制换相逻辑
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 55次
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内容摘要

针对飞轮稳速控制系统高精度的要求,目前广泛采用锁相环控制方案,其实现方法有锁相环专用芯片、基于DSP的软件锁相环和基于FPGA的数字锁相环三种。FPGA实现锁相环控制,不仅运算速度快,而且可以并行处理,从而能够克服运算量大、运算时间长等缺点,因此本文确定采用基于FPGA的锁相环控制方案。首先,为了验证锁相环电机控制系统的性能,从锁相环工作原理入手,分别建立了锁相环电路的鉴频鉴相器、环路滤波器和压控振荡器模型,在此基础上构建了飞轮电机的锁相环控制系统模型,并根据稳定性理论分析给出锁相环控制系统的最低转速极限,仿真结果表明了锁相环控制方案能够满足系统的性能指标。其次,在模型仿真验证的基础上,采用FPGA完成了十状态流的鉴频鉴相器、IIR环路滤波器、PWM脉宽调制和换相逻辑等锁相环各个功能模块的设计,并进行了波形仿真验证。针对锁相环飞轮稳速控制系统的硬件实现,完成了H桥逆变驱动电路以及限流保护和泵升泄放电路,构建了基于FPGA的锁相环飞轮稳速控制系统平台。最后,对搭建的锁相环控制系统平台,进行了飞轮稳速控制实验,验证了鉴频鉴相、环路滤波、PWM脉宽调制、换相逻辑等模块的功能,并在设定转速下验证了系统的控制性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题背景及研究意义  8-9
  1.2 飞轮系统的应用及其发展现状  9-10
  1.3 锁相环控制技术的研究现状  10-12
  1.4 论文主要内容及章节安排  12-14
第2章飞轮稳速系统建模与仿真分析  14-34
  2.1 引言  14
  2.2 飞轮稳速系统中的电机模型  14-18
    2.2.1 飞轮电机的组成及工作原理  14-15
    2.2.2 飞轮电机的数学模型  15-18
  2.3 基于锁相环的飞轮稳速系统模型  18-29
    2.3.1 锁相环的结构及工作原理  18-20
    2.3.2 基于锁相环的飞轮稳速系统模型  20-28
    2.3.3 锁相环控制方法仿真分析  28-29
  2.4 锁相环控制系统低速分析  29-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章锁相环飞轮稳速系统的FPGA实现  34-51
  3.1 引言  34
  3.2 锁相环控制系统总体设计  34
  3.3 锁相环电路的FPGA实现  34-47
    3.3.1 鉴频鉴相器的设计  35-39
    3.3.2 环路滤波器的设计  39-41
    3.3.3 PWM模块的设计  41-44
    3.3.4 换相模块的设计  44-46
    3.3.5 六倍频模块的设计  46-47
  3.4 锁相环控制系统的外围电路设计  47-50
    3.4.1 逆变电路  47-48
    3.4.2 限流保护电路  48-49
    3.4.3 泵升泄放电路  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章锁相环飞轮稳速系统实验与分析  51-57
  4.1 引言  51
  4.2 实验说明  51-52
  4.3 实验结果分析  52-56
    4.3.1 鉴频鉴相功能分析  52
    4.3.2 脉宽调制与限流保护功能分析  52-53
    4.3.3 非理想反电势下的相电流实验分析  53-55
    4.3.4 锁相环稳速实验分析  55-56
  4.4 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-63
攻读学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

基于FPGA的锁相环飞轮稳速控制实现技术研究

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