高精度转速源的研究
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摘要
本转速源是测速发电机的校准测试基准，要求具有精度高，范围宽，无级平滑调速的特点。
本文首先探讨了同步电动机调速系统的控制理论，针对本转速源的设计要求，作者提出了他控式变频调速与自控式无刷直流调速相结合的调速方案。在同步运行方式下引入对称式SVPWM设计思想，使得空间矢量轨迹更接近于理想磁链圆，且有效地降低了开关损耗和谐波含量。这部分功能在CPLD器件中用VHDL语言开发实现，其ISP(在系统编程)方式使得设计与维护都比传统方法方便灵活，由于逆变器开关元件的触发信号是由硬件来产生的，因此更容易实现准确的高速实时控制。在无刷直流方式下，以专用集成电路MC33035和锁相环电路为核心组成闭环调速系统，实现速度的快速调节。两种控制方式能够平滑切换，充分发挥了同步电动机稳态高精度高，直流无刷电机的动态快速性好、不失步的特点。
本系统选用正弦波永磁同步电动机为执行电机，以Intel公司80C196KC单片机为控制核心，以智能功率模块(IPM)为逆变电路功率开关器件，构成交流调速系统的硬件平台。
The benchmark rev equipment is designed and used for tacho generator's testing, the characteristic of which is high velocity precision, wide speed range and stepless speed adjustment.
This system uses REPMSM ( Rare Earth Permanent Magnet Synchronous Motor ) as executing motor. The core hardware platform of this system is designed on 80C196KC MCU and CPLD device and IPM (Intelligent Power Model). Combining the methods of in-phase variable-frequency adjusting speed with brushless DC control, This system makes full use of characteristic of high static precision and dynamic fast response.
In the synchronous model, based on the idea of symmetrical SVPWM pattern generator using CPLD device implementation. Pulse width modulation is used in power converters, this conversion can be carried out using analog circuits or digital circuits, such as DSPs and microprocessors. The more efficient and faster solution is the use of Programable Logic Device. This paper demonstrates how to generate variable PWM waveform based on standard CPLD device, the proposed circuit is incorporated with MCU to provide simple and effective solution for high-performance PWM converters.
In the brushless model, the IGBT ( Isolated Gate Bipolar Transistor ) switch state period table is gained by MC33035 which analyzes the signal of position feed-back.
本文首先探讨了同步电动机调速系统的控制理论，针对本转速源的设计要求，作者提出了他控式变频调速与自控式无刷直流调速相结合的调速方案。在同步运行方式下引入对称式SVPWM设计思想，使得空间矢量轨迹更接近于理想磁链圆，且有效地降低了开关损耗和谐波含量。这部分功能在CPLD器件中用VHDL语言开发实现，其ISP(在系统编程)方式使得设计与维护都比传统方法方便灵活，由于逆变器开关元件的触发信号是由硬件来产生的，因此更容易实现准确的高速实时控制。在无刷直流方式下，以专用集成电路MC33035和锁相环电路为核心组成闭环调速系统，实现速度的快速调节。两种控制方式能够平滑切换，充分发挥了同步电动机稳态高精度高，直流无刷电机的动态快速性好、不失步的特点。
本系统选用正弦波永磁同步电动机为执行电机，以Intel公司80C196KC单片机为控制核心，以智能功率模块(IPM)为逆变电路功率开关器件，构成交流调速系统的硬件平台。
The benchmark rev equipment is designed and used for tacho generator's testing, the characteristic of which is high velocity precision, wide speed range and stepless speed adjustment.
This system uses REPMSM ( Rare Earth Permanent Magnet Synchronous Motor ) as executing motor. The core hardware platform of this system is designed on 80C196KC MCU and CPLD device and IPM (Intelligent Power Model). Combining the methods of in-phase variable-frequency adjusting speed with brushless DC control, This system makes full use of characteristic of high static precision and dynamic fast response.
In the synchronous model, based on the idea of symmetrical SVPWM pattern generator using CPLD device implementation. Pulse width modulation is used in power converters, this conversion can be carried out using analog circuits or digital circuits, such as DSPs and microprocessors. The more efficient and faster solution is the use of Programable Logic Device. This paper demonstrates how to generate variable PWM waveform based on standard CPLD device, the proposed circuit is incorporated with MCU to provide simple and effective solution for high-performance PWM converters.
In the brushless model, the IGBT ( Isolated Gate Bipolar Transistor ) switch state period table is gained by MC33035 which analyzes the signal of position feed-back.
引文
【1】胡崇岳。现代交流调速技术。北京：机械工业出版社，1998
【2】朱震莲。现代交流调速系统。西安：西北工业大学出版社，1994
【3】许大中。交流电机调速理论。浙江：浙江大学出版社，1991
【4】符曦。高磁场永磁式电动机及其驱动系统。北京：机械工业出版社，1996
【5】李志民，张遇杰。同步电动机调速系统。北京：机械工业出版社，1996
【6】陈国呈。PWM变频调速及软开关电力变换技术。北京：机械工业出版社，2001
【7】孙涵芳。Intel 16位单片机。北京：北京航空航天大学出版社，1995
【8】王福瑞。单片机测控系统设计大全。北京：北京北京航空航天大学出版社，1998
【9】程军。Intel 80C196单片机应用实践与C语言开发。北京：北京航空航天大学出版社，2000
【10】江思明。电路工程设计-Protel99实例演练。北京：人民邮电出版社，2000
【11】谢淑如，郑光钦，杨渝生。Potel PCB 99SE电路板设计。北京：清华大学出版社，2001
【12】宋万杰，罗丰，吴顺君。CPLD技术及其应用。西安：西安电子科技大学出版社，1999
【13】黄正谨，徐坚等。CPLD系统设计技术入门与应用。北京：电子工业出版社，2002
【14】褚振勇，翁木云。FPGA设计及应用。西安：西安电子科技大学出版社，2002
【15】侯伯亨，顾新。VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计(修订版)。西安：西安电子科技大学出版社，1997
【16】Kevin Skahill编著，朱明程、孙晋译。可编程逻辑系统的VHDL设计技术。南京：东南大学出版社，1996
【17】薛定宇，陈阳泉。基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用。北京：清华大学出版社，2002
【18】陈坚。交流电机数学模型及调速系统。北京：国防工业出版社，1989
【19】谭建成，电机专用集成电路，机械工业出版社，1997
【20】三菱IGBT模块和智能模块(IPM)产品与应用介绍。三菱电机(香港)有限公司。1998
【21】Morimoto, M, Sato, S. Sumito, K. Oshitani, K.: Voltage modulation factor of the magnetic flux control PWM method for inverter; Industrial Electronics, IEEE Transactions, Volume: 38 Issue: 1, Feb 1991, Page(s): 57-61
【22】Chen, S. Joos, G.: Symmetrical SVPWM pattern generator using field programmable gate array implementation; Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002. APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE, Volume: 2, 2002 Page(s): 1004-1010 vol.2
【23】Ying-Yu Tzou Hau-Jean Hsu; FPGA realization of space-vector PWM control IC for three-phase PWM inverters; Power Electronics, IEEE Transactions on, Volume: 12 Issue: 6 Nov 1997 Page(s): 953-963
【24】Wang Chengyuan Li Haodong Xia Jiakuan; Study of intelligent vector control system based on TMS320F240; Electrical Machines and Systems, 2001. ICEMS 2001. Proceedings of the Fifth International Conference on, Volume: 1, 2001 Page(s): 550 -553 vol.1
【25】孙文焕，程善美，秦忆。基于FPGA的空间矢量PWM的实现。电气传动，2000，(6)：21～24
【26】王潞刚，陈林康。基于MATLAB/Simulink的电压空间欠量脉宽调制(SVPWM)逆变器的仿真。电机电器技术，2001(4)32～35
【27】祈慧，曾光等。基于空间电压矢量的用词同步电机控制系统仿真。第七届中国电力电子与电力传动控制学术会议CPED2001论文集，85～87
【28】陈宝萍，种岩峰。GAL器件在80C196KC单片机位置控制系统中的应用。电子技术应用，1997(4)54～56
【29】杨贵杰，孙力等。空间欠量脉宽调制方法的研究。中国电机工程学报，2001，21(5)79～83
【30】丁刚，王勋先，董浩，韩曾晋。基于8xC196MC实现的磁链轨迹跟踪控制。电气自动化，2000，(2)：12～14
【31】周青苗，韩英桃，吴斌。具有补偿作用的多边形磁链轨迹模型控制。西北工业大学
学报，1998，16(1)：65～69
【32】马瑞卿，李声晋，周青苗，李钟明。稀土永磁同步电动机变频调速关键技术研究。中国电机工程学报，1998，18(5)：330～334
【33】吴斌，韩英桃，周青苗。多边形磁链新方案及其分析研究。电气传动，1995，25(5)：23～27
【34】许强，贾正春，李朗如。新型全数字交流伺服系统。微电机，1997，30(1)：14～19
【35】张纯江，漆汉宏。空间矢量PWM与正弦PWM的比较研究。信息技术，2000，(5)1～3
【36】王旭红。自控式永磁同步电动机的调速分析。长沙电力学院学报(自然科学版)。2000，(11)41～43
【37】孙明迪，陈天才，张挺航。单片机控制无刷直流电动机速度伺服系统。北京航空航天大学学报。1997，(8)492～496
【38】王宝国等。复杂可编程逻辑器件(CPLD)在DSP交流电机控制系统中的应用[J]。电气传动，2001，5(1)：40～43
【39】肖本贤。小功率低成本的无刷直流电动机控制器研制。机电工程。2000，17(1)55～57
【40】熊健，张凯等。空间矢量脉宽调制的统一形式。第七届中国电力电子与电力传动控制学术会议CPED2001论文集，199～204
【41】李烨，严欣平。永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景。微电机。2001，34(4)30～33
【42】谭茀娃，金如麟，李川。现代交流电机控制的现状与展望。微特电机，2000(2)：3～6
【2】朱震莲。现代交流调速系统。西安：西北工业大学出版社，1994
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【33】吴斌，韩英桃，周青苗。多边形磁链新方案及其分析研究。电气传动，1995，25(5)：23～27
【34】许强，贾正春，李朗如。新型全数字交流伺服系统。微电机，1997，30(1)：14～19
【35】张纯江，漆汉宏。空间矢量PWM与正弦PWM的比较研究。信息技术，2000，(5)1～3
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【37】孙明迪，陈天才，张挺航。单片机控制无刷直流电动机速度伺服系统。北京航空航天大学学报。1997，(8)492～496
【38】王宝国等。复杂可编程逻辑器件(CPLD)在DSP交流电机控制系统中的应用[J]。电气传动，2001，5(1)：40～43
【39】肖本贤。小功率低成本的无刷直流电动机控制器研制。机电工程。2000，17(1)55～57
【40】熊健，张凯等。空间矢量脉宽调制的统一形式。第七届中国电力电子与电力传动控制学术会议CPED2001论文集，199～204
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【42】谭茀娃，金如麟，李川。现代交流电机控制的现状与展望。微特电机，2000(2)：3～6