本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的水下航行器電力推進器控制研究

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【摘要】：本文是基于FPGA的水下航行器電力推進器控制研究。推進器是水下航行器運行的關(guān)鍵部件,推進器最主要的組成部分是電機及其相關(guān)控制器,永磁同步電機以其調(diào)速范圍大、運行可靠;結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率因數(shù)高等特點,在很多場合得到應(yīng)用。當(dāng)前,永磁同步電機的功率等級很多,針對推進器所需要的大功率電機,永磁同步電機能夠完全勝任。由于推進器工作的環(huán)境是在水下,推進器的體積不能太大且工況復(fù)雜,因此給電機的控制帶來了一定的難度。本文將著重對水下航行器電力推進器的控制進行研究。早期,航行器電力推進采用直流電動機。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,交流推進電動機逐漸應(yīng)用于電力推進系統(tǒng)中,如電勵磁同步電動機、異步電動機、永磁同步電動機等。其中永磁同步電機以其功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高等優(yōu)勢,在電力推進系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。在分析永磁同步電機工作原理和控制方法的基礎(chǔ)上,建立永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型及其采用的控制策略,即直接轉(zhuǎn)矩控制、MTPA控制和矢量控制,設(shè)計了切實可行的方案:(1)以FPGA芯片EPM570T144C5N為硬件基礎(chǔ),設(shè)計電力推進器的矢量控制系統(tǒng),給出了坐標(biāo)變換模塊、CORDIC算法、數(shù)字PI模塊、電流環(huán)和速度位置環(huán)等模塊的具體實現(xiàn)方法和相應(yīng)模塊的IP核及仿真驗證。(2)采用單片機芯片STM32F103RCT6為控制核心,設(shè)計采用矢量控制方式的永磁同步電機,硬件電路包括STM32F103RCT6最小系統(tǒng)、數(shù)字模擬部分電源設(shè)計、功率驅(qū)動電路、通信接口、空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM和準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定。(3)論文的創(chuàng)新點是電機驅(qū)動電路中的準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定問題——軟、硬開關(guān)進行研究,詳細(xì)對比軟、硬開關(guān)的兩種工作方式,得出開關(guān)管平穩(wěn)切換的條件和準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定方法。論文最后對電力推進器采用直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制進行了對比驗證,電力推進采用矢量控制方式比直接轉(zhuǎn)矩控制方式在調(diào)速范圍上寬,加負(fù)載后矢量控制方式運行更穩(wěn)定,速度精度和轉(zhuǎn)矩脈動都要比直接轉(zhuǎn)矩控制方式更好。在實驗平臺上以矢量控制方式進行實驗驗證,結(jié)果證明,矢量控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定,實際系統(tǒng)與仿真模型相互呼應(yīng),說明該系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)特性。
【關(guān)鍵詞】：電力推進 FPGA 永磁同步電機 矢量控制
【學(xué)位授予單位】：浙江海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U664.14
【目錄】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-14
• 第一章 緒論14-18
• 1.1 研究背景及研究意義14
• 1.2 水下航行器電力推進發(fā)展現(xiàn)狀14-15
• 1.3 FPGA技術(shù)15-17
• 1.3.1 FPGA開發(fā)基本流程15
• 1.3.2 FPGA芯片15-16
• 1.3.3 硬件描述語言Verilog HDL16-17
• 1.4 論文的研究內(nèi)容17-18
• 第二章 電力推進器的數(shù)學(xué)模型及控制策略18-29
• 2.1 永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及運行原理18-19
• 2.2 數(shù)學(xué)模型的建立19-20
• 2.3 電力推進器的控制策略20-29
• 2.3.1 直接轉(zhuǎn)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 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計29-47
• 3.1 控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計29
• 3.2 主電路設(shè)計29-31
• 3.3 串行Flash加載器31-33
• 3.4 數(shù)字和模擬部分電源設(shè)計33-34
• 3.5 通信接口設(shè)計34-35
• 3.6 功率驅(qū)動電路35-37
• 3.7 準(zhǔn)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定37-40
• 3.8 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM40-47
• 第四章 基于電力推進器的軟件設(shè)計47-59
• 4.1 坐標(biāo)變換模塊47-52
• 4.1.1 Clarke變換47-49
• 4.1.2 Park變換49-51
• 4.1.3 IPark變換51-52
• 4.2 CORDIC算法52-53
• 4.3 數(shù)字PI模塊53-55
• 4.4 電流環(huán)設(shè)計55-56
• 4.5 位置速度環(huán)設(shè)計56-59
• 第五章 基于FPGA的檢測模塊設(shè)計59-72
• 5.1 Modelsim仿真59-60
• 5.2 電流檢測60-62
• 5.3 速度檢測62-63
• 5.3.1 四倍頻模塊63
• 5.4 位置檢測63-64
• 5.5 濾波器64-72
• 5.5.1 FIR濾波器64
• 5.5.2 利用MATLAB產(chǎn)生帶通FIR濾波器64-66
• 5.5.3 FPGA的FIR濾波器實現(xiàn)66-72
• 第六章 系統(tǒng)仿真與實驗分析72-82
• 6.1 SVPWM的仿真模型及驗證72-74
• 6.2 電力推進電機矢量控制的仿真模型74
• 6.3 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制仿真74-77
• 6.4 實測結(jié)果分析77-82
• 6.4.1 SVPWM功能測試78-79
• 6.4.2 電力推進電機的速度伺服實驗79-80
• 6.4.3 電力推進電機驅(qū)動信號測試80-82
• 第七章 總結(jié)與展望82-84
• 7.1 總結(jié)82-83
• 7.2 展望83-84
• 參考文獻84-87
• 致謝87-88
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及研究成果88

【參考文獻】

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本文編號：879053