基于FPGA的水下航行器电力推进器控制研究

发布时间：2017-09-19 02:48

  本文关键词：基于FPGA的水下航行器电力推进器控制研究

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【摘要】：本文是基于FPGA的水下航行器电力推进器控制研究。推进器是水下航行器运行的关键部件,推进器最主要的组成部分是电机及其相关控制器,永磁同步电机以其调速范围大、运行可靠;结构简单、体积小、功率因数高等特点,在很多场合得到应用。当前,永磁同步电机的功率等级很多,针对推进器所需要的大功率电机,永磁同步电机能够完全胜任。由于推进器工作的环境是在水下,推进器的体积不能太大且工况复杂,因此给电机的控制带来了一定的难度。本文将着重对水下航行器电力推进器的控制进行研究。早期,航行器电力推进采用直流电动机。随着科学技术的进步,交流推进电动机逐渐应用于电力推进系统中,如电励磁同步电动机、异步电动机、永磁同步电动机等。其中永磁同步电机以其功率因数高、结构简单、体积小、效率高等优势,在电力推进系统中发挥着重要的作用。在分析永磁同步电机工作原理和控制方法的基础上,建立永磁同步电机的数学模型及其采用的控制策略,即直接转矩控制、MTPA控制和矢量控制,设计了切实可行的方案:(1)以FPGA芯片EPM570T144C5N为硬件基础,设计电力推进器的矢量控制系统,给出了坐标变换模块、CORDIC算法、数字PI模块、电流环和速度位置环等模块的具体实现方法和相应模块的IP核及仿真验证。(2)采用单片机芯片STM32F103RCT6为控制核心,设计采用矢量控制方式的永磁同步电机,硬件电路包括STM32F103RCT6最小系统、数字模拟部分电源设计、功率驱动电路、通信接口、空间矢量脉宽调制SVPWM和准谐振网络参数确定。(3)论文的创新点是电机驱动电路中的准谐振网络参数确定问题——软、硬开关进行研究,详细对比软、硬开关的两种工作方式,得出开关管平稳切换的条件和准谐振网络参数确定方法。论文最后对电力推进器采用直接转矩控制和矢量控制进行了对比验证,电力推进采用矢量控制方式比直接转矩控制方式在调速范围上宽,加负载后矢量控制方式运行更稳定,速度精度和转矩脉动都要比直接转矩控制方式更好。在实验平台上以矢量控制方式进行实验验证,结果证明,矢量控制系统运行稳定,实际系统与仿真模型相互呼应,说明该系统具有良好的动、静态特性。
【关键词】：电力推进 FPGA 永磁同步电机 矢量控制
【学位授予单位】：浙江海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.14
【目录】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-14
• 第一章 绪论14-18
• 1.1 研究背景及研究意义14
• 1.2 水下航行器电力推进发展现状14-15
• 1.3 FPGA技术15-17
• 1.3.1 FPGA开发基本流程15
• 1.3.2 FPGA芯片15-16
• 1.3.3 硬件描述语言Verilog HDL16-17
• 1.4 论文的研究内容17-18
• 第二章 电力推进器的数学模型及控制策略18-29
• 2.1 永磁同步电机的结构及运行原理18-19
• 2.2 数学模型的建立19-20
• 2.3 电力推进器的控制策略20-29
• 2.3.1 直接转矩控制21-24
• 2.3.2 MTPA控制24-26
• 2.3.3 矢量控制26-29
• 第三章 控制系统的硬件设计29-47
• 3.1 控制系统的硬件总体设计29
• 3.2 主电路设计29-31
• 3.3 串行Flash加载器31-33
• 3.4 数字和模拟部分电源设计33-34
• 3.5 通信接口设计34-35
• 3.6 功率驱动电路35-37
• 3.7 准谐振网络参数的确定37-40
• 3.8 空间矢量脉宽调制SVPWM40-47
• 第四章 基于电力推进器的软件设计47-59
• 4.1 坐标变换模块47-52
• 4.1.1 Clarke变换47-49
• 4.1.2 Park变换49-51
• 4.1.3 IPark变换51-52
• 4.2 CORDIC算法52-53
• 4.3 数字PI模块53-55
• 4.4 电流环设计55-56
• 4.5 位置速度环设计56-59
• 第五章 基于FPGA的检测模块设计59-72
• 5.1 Modelsim仿真59-60
• 5.2 电流检测60-62
• 5.3 速度检测62-63
• 5.3.1 四倍频模块63
• 5.4 位置检测63-64
• 5.5 滤波器64-72
• 5.5.1 FIR滤波器64
• 5.5.2 利用MATLAB产生带通FIR滤波器64-66
• 5.5.3 FPGA的FIR滤波器实现66-72
• 第六章 系统仿真与实验分析72-82
• 6.1 SVPWM的仿真模型及验证72-74
• 6.2 电力推进电机矢量控制的仿真模型74
• 6.3 直接转矩控制与矢量控制仿真74-77
• 6.4 实测结果分析77-82
• 6.4.1 SVPWM功能测试78-79
• 6.4.2 电力推进电机的速度伺服实验79-80
• 6.4.3 电力推进电机驱动信号测试80-82
• 第七章 总结与展望82-84
• 7.1 总结82-83
• 7.2 展望83-84
• 参考文献84-87
• 致谢87-88
• 在读期间发表的学术论文及研究成果88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：879053