基于FPGA的異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制研究

【摘要】： 異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的其耗電量大,在我國大多數(shù)系統(tǒng)處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài),浪費(fèi)大量的電能。目前異步電機(jī)的節(jié)能控制主要是基于矢量控制,在實(shí)際節(jié)能過程中動(dòng)態(tài)解耦及負(fù)載跟蹤性能下降,對節(jié)能效果產(chǎn)生較大影響。因此,對異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制進(jìn)行深入研究,具有十分重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。 本文研究了異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制算法及其在FPGA芯片上的實(shí)現(xiàn)問題。闡述了異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制及相關(guān)問題的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了異步電動(dòng)機(jī)增加等效鐵損繞組時(shí)的三相數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過坐標(biāo)變換后得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下包含鐵損時(shí)的數(shù)學(xué)模型,通過變量代換得到異步電動(dòng)機(jī)磁通、電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間的狀態(tài)方程,利用simulink模塊建立了包含鐵損時(shí)異步電機(jī)方陣模型。針對基于矢量控制的效率優(yōu)化方法在動(dòng)態(tài)過程中解耦性能下降,影響效率優(yōu)化效果等問題,首先推導(dǎo)了基于損耗模型的異步電機(jī)最優(yōu)勵(lì)磁公式,簡要介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦原理,通過分析找出了兩種方法的結(jié)合點(diǎn):基于損耗模型的最優(yōu)勵(lì)磁輸出可以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制的磁鏈輸入。以此為出發(fā)點(diǎn),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制可以將速度與磁鏈進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦的特點(diǎn),將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制與基于損耗模型的節(jié)能控制策略相結(jié)合。設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦的異步電機(jī)節(jié)能控制方案,結(jié)合電機(jī)仿真模型進(jìn)行了仿真分析。 在節(jié)能控制方案的基礎(chǔ)上,根據(jù)FPGA芯片的結(jié)構(gòu)和性能,本文給出了基于FPGA的異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制的實(shí)現(xiàn)方案。該方案以Xilinx-FPGA為主控芯片,采用智能功率模塊IPM作為控制主回路,通過電流和轉(zhuǎn)速檢測電路構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),給出了3.3V電源供電、電流檢測、轉(zhuǎn)速檢測等部分硬件電路。按照FPGA自頂向下設(shè)計(jì)方法,將整個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)按照功能劃分為一系列子模塊,對速度測量、電流檢測、坐標(biāo)變換、節(jié)能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制器、SVPWM等重要模塊的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入的研究。并在模塊算法的設(shè)計(jì)過程中提出了自己的思路。 在各模塊設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行功能仿真,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性與模塊功能的正確性。指出了本文方法存在的不足,提出了有待于進(jìn)一步完善和研究的方向。 【關(guān)鍵詞】：異步電動(dòng)機(jī) 節(jié)能控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦 FPGA
【學(xué)位授予單位】：廣西工學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TM343
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-14
• 1.1 引言10
• 1.2 異步電機(jī)節(jié)能控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢10-12
• 1.2.1 異步電機(jī)節(jié)能控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢10-12
• 1.2.2 異步電機(jī)節(jié)能控制的相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀12
• 1.3 本論文研究的主要內(nèi)容12-14
• 第2章 異步電動(dòng)機(jī)仿真模型的建立14-23
• 2.1 異步電動(dòng)機(jī)包含鐵損的三相數(shù)學(xué)模型14-17
• 2.2 坐標(biāo)變換17-19
• 2.2.1 Clark 變換17-18
• 2.2.2 Park 變換18-19
• 2.3 異步電機(jī)包含鐵損的仿真模型19-22
• 2.3.1 異步電機(jī)包含鐵損的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)模型19-21
• 2.3.2 異步電機(jī)包含鐵損的仿真模型21-22
• 2.4 小結(jié)22-23
• 第3章 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦的異步電機(jī)節(jié)能控制研究23-34
• 3.1 基于損耗模型的節(jié)能控制策略23-24
• 3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦原理24-27
• 3.2.1 逆系統(tǒng)原理24-25
• 3.2.2 逆系統(tǒng)的分類、可逆性及求解25-26
• 3.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)右逆系統(tǒng)解耦26-27
• 3.3 異步電動(dòng)機(jī)的可逆性分析27-29
• 3.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的異步電機(jī)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)29-33
• 3.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦單元的設(shè)計(jì)30-32
• 3.4.2 磁鏈、轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)32
• 3.4.3 最優(yōu)磁通計(jì)算單元的設(shè)計(jì)32-33
• 3.5 小結(jié)33-34
• 第4章 基于FPGA 的異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)34-44
• 4.1 可編程邏輯器件FPGA 功能介紹34
• 4.2 異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)34-36
• 4.2.1 總體設(shè)計(jì)34-35
• 4.2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)35-36
• 4.3 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)36
• 4.4 檢測電路的設(shè)計(jì)36-40
• 4.4.1 電流檢測電路37-39
• 4.4.2 轉(zhuǎn)速檢測電路39-40
• 4.5 輔助電路的設(shè)計(jì)40-43
• 4.5.1 電源電路40-42
• 4.5.2 IPM 故障保護(hù)電路42
• 4.5.3 PWM 驅(qū)動(dòng)電路42-43
• 4.6 小結(jié)43-44
• 第5章 基于FPGA 的異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)44-69
• 5.1 系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)44-45
• 5.1.1 軟件總體設(shè)計(jì)流程及結(jié)構(gòu)44-45
• 5.1.2 軟件總體設(shè)計(jì)目標(biāo)45
• 5.2 電流檢測模塊設(shè)計(jì)45-47
• 5.3 轉(zhuǎn)速檢測模塊設(shè)計(jì)47-49
• 5.3.1 角度輸出模塊48-49
• 5.3.2 速度輸出模塊49
• 5.4 坐標(biāo)變換模塊的設(shè)計(jì)49-52
• 5.4.1 Clark 變換模塊49-51
• 5.4.2 Park 坐標(biāo)變換模塊51-52
• 5.5 最優(yōu)磁通控制模塊設(shè)計(jì)52-56
• 5.5.1 最優(yōu)勵(lì)磁計(jì)算模塊53-54
• 5.5.2 啟動(dòng)/強(qiáng)勵(lì)磁控制模塊54-56
• 5.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制模塊設(shè)計(jì)56-60
• 5.6.1 數(shù)字PD 調(diào)節(jié)器模塊56-57
• 5.6.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦模塊57-60
• 5.7 SVPWM 模塊設(shè)計(jì)60-67
• 5.7.1 SVPWM 模塊設(shè)計(jì)原則及依據(jù)60-63
• 5.7.2 SVPWM 模塊設(shè)計(jì)63-67
• 5.8 轉(zhuǎn)矩磁鏈估計(jì)模塊的設(shè)計(jì)67-68
• 5.9 小結(jié)68-69
• 第6章 仿真實(shí)驗(yàn)69-75
• 6.1 異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制算法仿真69-70
• 6.2 基于FPGA 的控制系統(tǒng)功能模塊仿真70-73
• 6.2.1 轉(zhuǎn)速檢測模塊的仿真70-71
• 6.2.2 電流檢測模塊的仿真71
• 6.2.3 坐標(biāo)變換模塊的仿真71-72
• 6.2.4 最優(yōu)勵(lì)磁模塊仿真72-73
• 6.2.5 SVPWM 模塊仿真73
• 6.3 小結(jié)73-75
• 第7章 總結(jié)75-77
• 7.1 本文的主要工作75
• 7.2 后續(xù)工作及研究展望75-77
• 參考文獻(xiàn)77-80
• 附錄80-81
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明81-82
• 致謝82

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