發(fā)布時間：2017-09-27 08:47

  本文關(guān)鍵詞：基于鎖相環(huán)的飛輪控制系統(tǒng)實現(xiàn)

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【摘要】：本文以陀螺飛輪為研究背景,設(shè)計了飛輪用無刷直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動控制系統(tǒng)。利用鎖相環(huán)與帶有超前角補(bǔ)償?shù)腟PWM技術(shù),實現(xiàn)了基于FPGA的飛輪控制系統(tǒng)并降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動。首先,根據(jù)飛輪用無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu),建立了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對鎖相環(huán)通常采用的三狀態(tài)鑒頻鑒相器的輸出波動問題進(jìn)行分析,提出了十狀態(tài)鑒頻鑒相器方案來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。搭建了鎖相環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型,并利用轉(zhuǎn)速階躍信號和轉(zhuǎn)速斜坡信號對模型進(jìn)行仿真,驗證了系統(tǒng)具備良好穩(wěn)速與調(diào)速性能。其次,對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動問題進(jìn)行分析,無刷直流電機(jī)的線反電勢近似正弦波,導(dǎo)致在方波驅(qū)動下有較大的轉(zhuǎn)矩波動。針對這一問題,提出了正弦波驅(qū)動的方案,并仿真說明了在正弦波驅(qū)動下,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動得到了明顯改善。由于相電感的存在,使得作用于電機(jī)的相電壓超前于相電流,導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動,對于換相轉(zhuǎn)矩波動,提出了一種利用轉(zhuǎn)速計算超前角并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?并利用仿真驗證帶有超前角補(bǔ)償?shù)腟PWM驅(qū)動方案可以進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)矩波動。為了在FPGA中實現(xiàn)對三角函數(shù)的運算,使用了CORDIC算法將三角函數(shù)的運算簡化成相加與移位的迭代運算,并通過仿真說明了利用CORDIC算計算三角函數(shù)的可行性。而后,設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。在硬件設(shè)計中,針對旋變解調(diào)芯片對信號相移的要求,設(shè)計激磁與濾波電路并對進(jìn)行仿真分析,驗證了所設(shè)計的信號鏈路的相移滿足芯片要求。在軟件設(shè)計過程中,針對CORDIC算法占用資源過多的問題,提出了一種對CORDIC模塊分時復(fù)用的方法,在實現(xiàn)了SPWM驅(qū)動與超前角補(bǔ)償?shù)耐瑫r,有效降低了方案對芯片資源的占用率。最后,對系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行調(diào)試。利用伺服電機(jī)實驗平臺對系統(tǒng)進(jìn)行測試,驗證了旋變解調(diào)電路的設(shè)計與SPWM驅(qū)動方案的可行性。并對鎖相環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)速試驗,說明了鎖相環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)速精度,適用于飛輪電機(jī)的控制。
【關(guān)鍵詞】：無刷直流電機(jī) 鎖相環(huán) 正弦波驅(qū)動 轉(zhuǎn)矩波動 CORDIC
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-16
• 1.1 課題背景及研究目的9
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-12
• 1.2.1 偏置動量輪的研究現(xiàn)狀10
• 1.2.2 控制力矩陀螺的研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.3 陀螺飛輪研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 飛輪電機(jī)控制方法分析12-15
• 1.3.1 雙閉環(huán)PI控制方法12-13
• 1.3.2 鎖相環(huán)控制方法13-14
• 1.3.3 轉(zhuǎn)矩波動的抑制14-15
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容15-16
• 第2章 飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)建模與仿真16-31
• 2.1 引言16
• 2.2 飛輪系統(tǒng)的電機(jī)模型16-18
• 2.2.1 飛輪電機(jī)的組成及工作原理16
• 2.2.2 飛輪電機(jī)數(shù)學(xué)模型16-18
• 2.3 鎖相環(huán)模型分析18-24
• 2.3.1 鑒頻鑒相器19-23
• 2.3.2 環(huán)路濾波器23-24
• 2.3.3 壓控振蕩器24
• 2.4 基于鎖相環(huán)的電機(jī)控制系統(tǒng)分析24-30
• 2.4.1 基于鎖相環(huán)的飛輪控制系統(tǒng)分析24-27
• 2.4.2 基于鎖相環(huán)的飛輪控制系統(tǒng)仿真27-30
• 2.5 本章小結(jié)30-31
• 第3章 飛輪系統(tǒng)的驅(qū)動策略31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 飛輪控制系統(tǒng)的驅(qū)動策略31-39
• 3.2.1 方波驅(qū)動策略32-37
• 3.2.2 正弦波驅(qū)動策略37-39
• 3.3 超前角補(bǔ)償39-41
• 3.4 CORDIC算法及其驅(qū)動策略中的應(yīng)用41-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 第4章 飛輪控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計45-76
• 4.1 引言45
• 4.2 飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計45-54
• 4.2.1 FPGA芯片的選擇45-46
• 4.2.2 旋變數(shù)字解調(diào)芯片選擇與信號鏈路設(shè)計46-50
• 4.2.3 逆變芯片選型與外圍電路設(shè)計50-51
• 4.2.4 系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計51-52
• 4.2.5 高端電流采樣電路設(shè)計52-54
• 4.3 飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計54-75
• 4.3.1 ADC接口模塊54-56
• 4.3.2 RDC接口模塊56-59
• 4.3.3 CORDIC模塊59-61
• 4.3.4 三角波發(fā)生器61-62
• 4.3.5 比較器模塊62-64
• 4.3.6 角位值信號分解模塊64-66
• 4.3.7 分時復(fù)用模塊66-68
• 4.3.8 改進(jìn)比較器68-70
• 4.3.9 頻率反饋信號生成模塊70
• 4.3.10 鑒頻鑒相器70-72
• 4.3.11 低通濾波器72-74
• 4.3.12 環(huán)路濾波器設(shè)計74-75
• 4.4 本章小結(jié)75-76
• 第5章 飛輪控制系統(tǒng)實驗結(jié)果與分析76-82
• 5.1 引言76
• 5.2 實驗平臺與說明76-77
• 5.3 實驗結(jié)果及分析77-81
• 5.3.1 伺服電機(jī)開環(huán)控制實驗77-80
• 5.3.2 伺服電機(jī)穩(wěn)速實驗80
• 5.3.3 加入超前角補(bǔ)償?shù)姆�(wěn)速實驗80-81
• 5.4 本章小結(jié)81-82
• 結(jié)論82-83
• 參考文獻(xiàn)83-89
• 致謝89

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本文編號：928758