基于锁相环的飞轮控制系统实现

发布时间：2017-09-27 08:47

  本文关键词：基于锁相环的飞轮控制系统实现

  更多相关文章： 无刷直流电机 锁相环 正弦波驱动 转矩波动 CORDIC

【摘要】：本文以陀螺飞轮为研究背景,设计了飞轮用无刷直流电机调速驱动控制系统。利用锁相环与带有超前角补偿的SPWM技术,实现了基于FPGA的飞轮控制系统并降低了电机的转矩波动。首先,根据飞轮用无刷直流电机的结构,建立了电机的数学模型。对锁相环通常采用的三状态鉴频鉴相器的输出波动问题进行分析,提出了十状态鉴频鉴相器方案来改善系统的动态性能。搭建了锁相环电机控制系统的Simulink仿真模型,并利用转速阶跃信号和转速斜坡信号对模型进行仿真,验证了系统具备良好稳速与调速性能。其次,对无刷直流电机的转矩波动问题进行分析,无刷直流电机的线反电势近似正弦波,导致在方波驱动下有较大的转矩波动。针对这一问题,提出了正弦波驱动的方案,并仿真说明了在正弦波驱动下,电机的转矩波动得到了明显改善。由于相电感的存在,使得作用于电机的相电压超前于相电流,导致电机产生转矩波动,对于换相转矩波动,提出了一种利用转速计算超前角并进行补偿的方法,并利用仿真验证带有超前角补偿的SPWM驱动方案可以进一步降低转矩波动。为了在FPGA中实现对三角函数的运算,使用了CORDIC算法将三角函数的运算简化成相加与移位的迭代运算,并通过仿真说明了利用CORDIC算计算三角函数的可行性。而后,设计了控制系统的硬件电路和软件程序。在硬件设计中,针对旋变解调芯片对信号相移的要求,设计激磁与滤波电路并对进行仿真分析,验证了所设计的信号链路的相移满足芯片要求。在软件设计过程中,针对CORDIC算法占用资源过多的问题,提出了一种对CORDIC模块分时复用的方法,在实现了SPWM驱动与超前角补偿的同时,有效降低了方案对芯片资源的占用率。最后,对系统的硬件电路进行调试。利用伺服电机实验平台对系统进行测试,验证了旋变解调电路的设计与SPWM驱动方案的可行性。并对锁相环系统进行稳速试验,说明了锁相环电机控制系统具有较高的稳速精度,适用于飞轮电机的控制。
【关键词】：无刷直流电机 锁相环 正弦波驱动 转矩波动 CORDIC
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景及研究目的9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.2.1 偏置动量轮的研究现状10
• 1.2.2 控制力矩陀螺的研究现状10-11
• 1.2.3 陀螺飞轮研究现状11-12
• 1.3 飞轮电机控制方法分析12-15
• 1.3.1 双闭环PI控制方法12-13
• 1.3.2 锁相环控制方法13-14
• 1.3.3 转矩波动的抑制14-15
• 1.4 本文主要研究内容15-16
• 第2章 飞轮电机控制系统建模与仿真16-31
• 2.1 引言16
• 2.2 飞轮系统的电机模型16-18
• 2.2.1 飞轮电机的组成及工作原理16
• 2.2.2 飞轮电机数学模型16-18
• 2.3 锁相环模型分析18-24
• 2.3.1 鉴频鉴相器19-23
• 2.3.2 环路滤波器23-24
• 2.3.3 压控振荡器24
• 2.4 基于锁相环的电机控制系统分析24-30
• 2.4.1 基于锁相环的飞轮控制系统分析24-27
• 2.4.2 基于锁相环的飞轮控制系统仿真27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 飞轮系统的驱动策略31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 飞轮控制系统的驱动策略31-39
• 3.2.1 方波驱动策略32-37
• 3.2.2 正弦波驱动策略37-39
• 3.3 超前角补偿39-41
• 3.4 CORDIC算法及其驱动策略中的应用41-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 飞轮控制系统的软硬件设计45-76
• 4.1 引言45
• 4.2 飞轮数字控制系统的硬件设计45-54
• 4.2.1 FPGA芯片的选择45-46
• 4.2.2 旋变数字解调芯片选择与信号链路设计46-50
• 4.2.3 逆变芯片选型与外围电路设计50-51
• 4.2.4 系统保护电路设计51-52
• 4.2.5 高端电流采样电路设计52-54
• 4.3 飞轮数字控制系统的软件设计54-75
• 4.3.1 ADC接口模块54-56
• 4.3.2 RDC接口模块56-59
• 4.3.3 CORDIC模块59-61
• 4.3.4 三角波发生器61-62
• 4.3.5 比较器模块62-64
• 4.3.6 角位值信号分解模块64-66
• 4.3.7 分时复用模块66-68
• 4.3.8 改进比较器68-70
• 4.3.9 频率反馈信号生成模块70
• 4.3.10 鉴频鉴相器70-72
• 4.3.11 低通滤波器72-74
• 4.3.12 环路滤波器设计74-75
• 4.4 本章小结75-76
• 第5章 飞轮控制系统实验结果与分析76-82
• 5.1 引言76
• 5.2 实验平台与说明76-77
• 5.3 实验结果及分析77-81
• 5.3.1 伺服电机开环控制实验77-80
• 5.3.2 伺服电机稳速实验80
• 5.3.3 加入超前角补偿的稳速实验80-81
• 5.4 本章小结81-82
• 结论82-83
• 参考文献83-89
• 致谢89

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本文编号：928758