基于FPGA的变频调速系统研究

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随着科学技术的发展,新的电力电子器件不断出现,自动化控制理论技术不断成熟,全数字化的微控制器产品也日新月异,这些发展都决定了电气传动系统会有新格局的产生。交流传动系统有着节能、环保、高性能并且更适应恶劣的环境等优点,这使得交流传动会逐渐取代传统的直流传动,交流传动将在电气传动领域中扮演主角。   本文研究基于FPGA变频调速系统,系统以大规模集成芯片FPGA为控制核心,设计基于矢量控制技术和SVPWM脉宽调制技术的新一代交流变频调速系统。   研究了三相异步电动机变频调速系统特性,在此基础上研究了矢量控制策略和空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)算法。矢量控制系统基本思想是将三相异步电动机模型通过等效变换变为直流电动机模型,对强耦合的变量实现解耦,从而将复杂的异步电机模型简单化。空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)算法是利用伏秒原理,通过六个基本空间电压矢量和零电压矢量共同合成所希望的空间电压矢量。合成过程中需要选择扇区、选择主辅矢量、计算主辅矢量作用时间、计算开关动作时刻以及利用七段式矢量合成法完成SVPWM波的生成。   设计了系统的主电路。主要包括三相不可控整流电路,直流滤波电路,三相逆变电路以及LC滤波电路,对各电路中元器件进行了选型计算。   完成了以大规模集成现场可编程门阵列FPGA芯片为核心的控制电路部分的设计。控制电路的核心部分是FPGA芯片,FPGA选用的是Xilinx(赛灵思)公司Spartan-Ⅱ系列的XC2S100-5PQ208芯片,它有着低功耗、高频率和大规模等优点,将一些硬件电路可以通过硬件描述语言来实现,所以使得硬件电路的设计更加灵活。还有对控制电路中辅助硬件电路的设计,包括光耦合隔离驱动电路、过流保护电路、过压保护电路以及温度检测电路等。   利用MATLAB/SIMULINK仿真软件对整个变频调速系统进行建模和仿真,得出了理想的仿真波形,包括三相异步电机的定子电流波形,转速波形以及电磁转矩波形,从而验证了基于矢量控制策略和SVPWM脉宽调制技术所设计的变频调速系统的可行性和正确性。
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