电气工程学院本科毕业设计(论文)工作手册
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电气工程及其自动化专业本科毕业论文（设计）
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出门在外也不愁10电气与信息工程专业本科毕业论文-第7页
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10电气与信息工程专业本科毕业论文-7
于外干扰而偏离滑模线运动时起主要的作用，而在PI；在滑模面s=0上运动时，系统处于滑模控制状态；x1?cx1?0；?te；（4.6）(4.7)；解此方程得:；x1??*???C0e；式中:C0为常数，t??时，x1沿指数趋于零，即；??1?aKPx1?aK1x1?F?0x；（4.8）；若出现外界干扰?TL，即系统参数F发生变化，由式；图4.12SMC顶层电路
于外干扰而偏离滑模线运动时起主要的作用，而在PI控制中，该控制量的作用是让系统直接趋于稳定点。另外，式 (4.5)的系数并非常数。这是由于SMC是变结构控制，控制量随?1,?2取值不同而变化。?1,?2的变化由系统状态和滑模面决定。在进入滑模面之前，可视为普通的PI控制，一旦进入滑模面，系统即沿滑模面按指数趋于稳定。若穿过滑模面，系统的控制立刻发生改变，强行把系统运动拉回到滑模面。并以此往复，使系统渐近趋向原点稳定。由于系统始终在滑模线附近运动，故其在相平面上的状态轨迹是所设计的滑模线。在滑模面s=0上运动时，系统处于滑模控制状态。此时系统运动微分方程:x1?cx1?0 ?te （4.6）
(4.7)解此方程得:x1??*???C0e式中: C0为常数，t??时，x1沿指数趋于零，即能实现转速跟踪无超调，并使系统达到稳定。此时，系统的品质完全由开关面系数C决定，而与系统参数、扰动均无关，其达到稳定的时间也只与C有关，因而具有较好的鲁棒性和快速性。而在PI控制下，结合系统状态方程式，得其运动微分方程： ??1?aKPx1?aK1x1?F?0
x（4.8）若出现外界干扰?TL，即系统参数F发生变化，由式(4.5)，(4.6)可见，SMC控制参数的选取无需改变，其系统性能并未受影响。若电机参数(如J、?a、r)发生变化，即系统参数a、F变化，由式(4.5)， (4.6)可见，由于?1、?2是在一定范围内?2取值，故只要保证在参数变化时?2的值仍满足该取值范围，系统最终运动轨迹并不受任何影响，即性能未受影响。而采用PI控制时，各参数的变化均会影响系统的运行性能。可见，该SMC控制器对干扰及参数摄动具有不变性，比PI具有更强的鲁棒性????。 图4.12 SMC顶层电路 图4.12是SMC控制器的顶层电路，程序采用流水线结构方式。clk为时钟输入，rst为复位使能信号，w为当前速度的设定值，w_ref为当前速度值经AD采样输出的8位二进制，i_tref为控制电路输出的控制电流。????华建军.基于FPGA的永磁同步电机控制器的研究[D].江苏：江南大学，. 图4.13 基于查表的SMC调节器仿真从仿真图4.13中可以看到，当输入速度出现差值，SMC控制电路使得电流改变不断趋近当前速度设定值对应的电流，从而实现SMC控制，经过验证，仿真结果与理论结果基本一致????。4.3.5 数字PI调节器的设计本系统的电流内环和速度外环都采用P I调节。PI调节器的硬件结构如图所示，为了防止溢出，调节器设置了饱和限制。电流PI调节器输出的是电压指令，以调制系数的形式经过补偿后送给SVPWM模块；速度PI调节器输出的是参考电流指令，直接送给电流调节器。不管是电流调节器还是速度调节器，如果参考指令值比较大，那么积分器就有可能会建立起一个很大的误差值，并且由于积分器的惯性作用这个误差会一直保持较长的时间，从而会导致过大的超调????。离散的P I表达式为：U ( k ) = P ( k ) + U ( k ) = kp
e(k) + I( k-1) + ki [ e( k) + e(k-1)]（4.9）其中， e(k)为指令值与反馈值之差， kp是比例增益， ki 是积分增益， kp 和 ki 的范围由电机的参数决定，并且需要通过实验来确定其具体值。PI控制模块的硬件结构如图4.14所示。KpPos_LimNeg_Lim 图4.14 PI调节器硬件结构图在图 4.14 中,e(k)是以补码的形式得到，其位宽为9位，1位符号位，8位数据位。????????谭会生，张昌凡，EDA技术及应用――Verilog HDL版（第三版）[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2011.
李树庭.基于FPGA的交流电机矢量控制系统的实现[D]. 武汉：华中科技大学，2008.kp 和ki作为电机参数始终为正值，它们是 8 位的无符号数。乘法器直接应用了开发板的乘法器实现。完成了乘法的运算后，考虑到计算 I(k)值消耗时钟较多，而计算 P(k)消耗时钟较少，故将P(k)的值连续赋原值，使其在最后计算U(k)的时候I(k)和P(k)保持同一个时钟。 图4.15 PI调节器顶层电路图4.15是PI调节器的顶层电路图，输入rst为复位使能，clk为时钟输入，i为经park变换求得的电流值，i_ref为滑模控制模块产生的控制信号，u_ref为控制量输出，直接输出给SVPWM进行矢量控制。其中kp，ki，DATA_WIDTH分别为电机的比例、积分系数和位宽值。图4.16即为其仿真图。 图4.16 基于查表的PI调节器仿真4.3.6 SVPWM模块SVPWM模块是本设计中的重点及难点，故在这里做较详细的说明。结构框图如图4.17所示。主要分为时序控制模块、定标模块、扇区判断模块、矢量选择及时间计算模块、过调制模块、PWM输出模块、状态机模块和死区调节模块。下面分别对这部分模块的实现进行说明。 （1）时序控制模块时序控制模块用于产生系统的同步脉冲，以保证模块间时序一致，图4.17中PL1、PL2和PL3三块由同步脉冲的下降沿触发，从而构成三级流水线。同步脉冲的周期Ts即为PWM波的周期，又考虑到SVPWM只是一个完整的交流伺服系统中的一个功能模块，于是将此同步脉冲作为SVPWM模块的输出，用于交流伺服系统中不同功能模块之间的同步。时钟复位U?U?比例因素模式频率设置 图4.17 SVPWM实现结构图（2）定标模块由图4.18中可见，U?、U?。是参考矢量Uref在?、?轴上的投影，在各个具体的系统中，U?、U?。的数值及其表达形式都不尽相同，且由于FPGA不适合于浮点数的运算，这就需要定标模块将其转化成统一的有效位数和小数点位置。再者，逆变器的直流电压Udc。在某一个具体的系统中通常为一定值，因此将m??U?/U?,m??U?/Udc。作为定标模块的输出。相关参数由图4.18中的比例因数配置。?V4(011)?V5 图4.18 电压矢量图（3）扇区判断模块这个模块完成以下计算：N扇区值的获得和X、Y、Z值的计算。 判断方法为：①如果Vbeta&0，则A=1，否则A=0。②如果3 Valpha-Vbeta&0，则B=1，否则B=0。 ③如果3 Valpha+Vbeta&0，则C=1，否则C=0。那么Uref所在的扇区为第N扇区，N=A+2B=4C。实现框图为图4.19。图4.19 扇区判断模块SVPWM中所定义的三个矢量X，Y，Z如下计算：?X?2Ubeta???Y?(Ualfa?Ubeta) ???Z?(Ubeta?Ualfa)（4.10）其中使用443/256值代替。ualpha和ubeta表示两相电压信号，x、y、z代表按照公式得到的计算结果，n为扇区信号，图中输出信号x、y、z、n均较输入信号ualpha、ubeta延迟了2个时钟，扇区号信号与x、y、z保持同步。布局布线结果显示，所消耗的资源为1605等效门，和一个乘法器。 （4）时间分配模块对于不同的扇区，空间矢量作用时间T1和T2按照表4.2取值。表4.2 T1和T2赋值表这里的实际实现方式为选择赋值运算，既可以使用异步赋值得到，也可以采用同步赋值，考虑到系统的可靠性，本设计在时钟的上升沿进行同步赋值，以使赋值块与其后的运算避免可能产生的错误。得到了上述的作用时间后，对其进行进一步处理。 （5）开关时间生成模块定义：包含各类专业文献、中学教育、幼儿教育、小学教育、各类资格考试、10电气与信息工程专业本科毕业论文等内容。　
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