基于FPGA的PMSM驱动系统研究

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交流永磁同步电机(PMSM)凭借众多的优势在众多电机行业及其整个产业链中得到了应用,其优势包括:高效率、高功率因数、可靠性强、体积小、力矩大等。空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是一种利用空间电压矢量合成来完成PWM输出的优化技术,该技术具有电压利用率高和电流谐波畸变率低等优点而且易于数字化实现。FPGA作为PMSM的专用集成电路核心芯片,具有设计周期短、I/O口设置灵活、内部处理速度快以及可移植性高等优点,本文以FPGA为主控芯片实现SVPWM算法来完成PMSM驱动系统的研究。本文对PMSM驱动控制原理进行深入研究,首先从构建PMSM数学模型进行系统分析,其后对SVPWM控制策略展开理论研究和仿真及实验验证,针对空间矢量的定义以及三相逆变器的基本电压矢量几个方面来研究PMSM驱动控制原理。通过对SVPWM算法中过调制原理进行分析,为了提高电压利用率与减小系统的不稳定性,设计一种双模式过调制算法,根据参考电压在不同的过调制区域采用匹配过调制算法来控制逆变器的电压输出,确保该算法下的电压利用率达到100%,并应用Matlab软件验证该算法正确性。通过Matlab软件搭建SVPWM模型对优化过SVPWM算法进行验证,然后在FPGA上完成PMSM驱动系统的实现即基于FPGA实现SVPWM算法,分析了SVPWM算法控制系统及其重要组成部分,包括从坐标变换模块、扇区判断模块、正弦信号模块、矢量作用时间计算模块以及PWM输出及死区调节模块等多途径探讨和分析,经过研究矢量变换原理,将扇区判断模块中的无理数运算用逻辑运算来代替,使其在该模块内逻辑单元占用量降低13%左右。基于Modelsim软件对系统进行仿真分析,验证算法的正确性。利用Altium Designer软件对PMSM驱动系统的硬件电路进行设计,并完成硬件实验平台的搭建。包括器件选型、原理图的绘制与PCB板的绘制。对PMSM驱动系统进行实际验证,进行转速测试、输出电压波形测试等功能验证。电机在3000RPM额定转速下,电机转速误差1%以内,能够平稳的驱动电机运行,控制效果理想。
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