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基于FPGA的永磁电机控制系统

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标签: 基于FPGA的永磁电机控制系统

随着经济的发展,科学技术的进步,永磁电机的研发和控制技术都有了快速的发展。永磁电机的发展也带来了永磁电机控制器的发展,电机控制器已经由传统的模拟元件控制器,逐渐转向数模混合控制器、全数字控制器。基于现场可编程门阵列(FPGA——Field Programmable Gate Array)的新一代数字电机控制技术得到越来越多的关注。现在的FPGA不仅实现了软件需求和硬件设计的完美集合,还实现了高速与灵活性的完美结合,使其已超越了ASIC器件的性能和规模。在工业控制领域,FPGA虽然起步较晚,但是发展势头迅猛。   本文在介绍了传统无刷直流电机控制技术的基础上,分析了采用FPGA实现电机控制的优点。详细介绍了使用硬件编程语言,在FPGA中编程实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的各个关键环节,如:PI调节器、数字PWM等等。在实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的同时,将速度检测环节采用FPGA实现,减小了系统硬件开销。在实现单台永磁无刷直流电机速度闭环控制的基础上,本文在一片FPGA芯片上实现了多台永磁无刷直流电机的速度闭环独立控制系统。介绍了采用FPGA进行多台电机控制具有独特的优势,这些优势使得FPGA在实现多台电机控制时非常方便,具有单片机(MCU)和数字信号处理器(DSP)无法比拟的优点。文中对基于FPGA的单台和多台永磁无刷直流电机控制系统分别进行了实验验证。   FPGA编程灵活,设计方便,本文在FPGA中实现了各种不同的PWM调制方式。从电路方面详细分析了采用不同的PWM调制,换相时无刷直流电机母线的反向电流问题。借助FPGA平台,对各种PWM调制方式进行了实验,对理论分析进行了验证。   另外,本文介绍了目前非常流行的一种FPGA图形化设计方法,即基于XSG(Xilinx System Generator)的FPGA设计。这种设计方法具有图形化、模块化的优点,大大方便了用户的FPGA开发设计。在XSG中建立的仿真系统,区别于传统的Simulink仿真,可以直接生成相应的硬件编程语言代码下载到FPGA中运行。本文借助XSG软件设计在XSG/Simulink中实现了永磁同步电机矢量控制系统的混合建模算法,并进行了仿真。

浙江大学电气工程学院 硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 姓名:黄晓冬 申请学位级别:硕士 专业:电机与电器 指导教师:史涔溦;邱建琪 20100101 浙江大学硕十学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 摘要 随着经济的发展,科学技术的进步,永磁电机的研发和控制技术都有了快速 的发展。永磁电机的发展也带来了永磁电机控制器的发展,电机控制器已经由传 统的模拟元件控制器,逐渐转向数模混合控制器、全数字控制器。基于现场可编 程门阵列(FPGA一一Field Pro舯mmable Gate A盯ay)的新一代数字电机控制技 术得到越来越多的关注。现在的FPGA不仅实现了软件需求和硬件设计的完美集 合,还实现了高速与灵活性的完美结合,使其已超越了AsIC器件的性能和规模。 在工业控制领域,FPGA虽然起步较晚,但是发展势头迅猛。 本文在介绍了传统无刷直流电机控制技术的基础上,分析了采用FPGA实现 电机控制的优点。详细介绍了使用硬件编程语言,在FPGA中编程实现永磁无刷 直流电机速度闭环控制的各个关键环节,如:PI调节器、数字PwM等等。在实 现永磁无刷直流电机速度闭环控制的同时,将速度检测环节采用FPGA实现,减 小了系统硬件开销。在实现单台永磁无刷直流电机速度闭环控制的基础上,本文 在一片FPGA芯片上实现了多台永磁无刷直流电机的速度闭环独立控制系统。介 绍了采用FPGA进行多台电机控制具有独特的优势,这些优势使得FPGA在实 现多台电机控制时非常方便,具有单片机(MCU)和数字信号处理器(DsP) 无法比拟的优点。文中对基于FPGA的单台和多台永磁无刷直流电机控制系统分 别进行了实验验证。 FPGA编程灵活,设计方便,本文在FPGA中实现了各种不同的PwM调制 方式。从电路方面详细分析了采用不同的PwM调制,换相时无刷直流电机母线 的反向电流问题。借助FPGA平台,对各种PwM调制方式进行了实验,对理论 分析进行了验证。 另外,本文介绍了目前非常流行的一种FPGA图形化设计方法,即基于xsG (Ⅺlill)【SystcIIl Gellerator)的FPGA设计。这种设计方法具有图形化、模块化的 优点,大大方便了用户的FPGA开发设计。在XSG中建立的仿真系统,区别于 传统的simuliIlk仿真,可以直接生成相应的硬件编程语言代码下载到FPGA中 运行。本文借助XSG软件设计在XSG/Simulilll(中实现了永磁同步电机矢量控制 系统的混合建模算法,并进行了仿真。 关键词:永磁电机、FPGA、控制、多台电机、PwM、xsG、矢量控制 lI 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的水磁屯机控制系统的研究 Abstract Witll nle deVelopment of materials alld teChnolog圬me design锄d control of penIlaIlellt ma鲈ct motor have be既gfeatly improVed.The di舀tal con的ller of pennanent ma髓et motor llsing MCU 0r DSP has r印laced me aIlalog coIl仃oller system舯dually.7nle con仃.oller based on Field Pr0莎aIl彻able Gate Amy(FPGA) inte删011, off如si鲥1ficant adV孤tage over me MCU based solution in the area of lligll speed锄d nexibili吼With a FPGA,calCulationS which would no肌ally cons啪e large锄oullts of CPU time when impl锄锄ted iIl so疗wafe may be hardwarc aCceleratcd.IIl motIDr corltrol applicatioIlS,me desi踟wim FPGA is becoming more and more popula£ syst锄 This paper presents nle adV觚tage of FPGA baSed motor comrol compared wim the仃aditional comroltechn0109y of BLDCM(Brushless DC Motor). 111e key pointS of desi嘶ng a FPGA based BLDCM contr011%Such as PI(Proportion Inte黟ation)regulator,PWM(Pulse Widtll Modulator)module,speed sensoring module,were in仃0duced in detail.Tlle whole FPGA con仃oller systeIIl w嬲build using V.erilog HDL wim miIlim啪peripheral hardware.The speed regulation perfomL肌ces of the FPGA based BLDCM control system were tested by eXp砸meIlts. MoreV%t、Ⅳo sets of speed con仃011ed BLDCM“Ves were impl锄ented using sin酉e FPGA.111e simulation and eXp嘶mental reSults s110w that using FPGA in multi-motor coIl仃ol syStem has obvious adVantages thaIl仃a【ditional MCU 0r DS P. p确mlances The of speed Controllod bmshless dc drive were innuenced by Pulse Width Modulator.ScVeral di脓ent PWM memods were irnpl锄吼tedbased on FPGA platfonn.TIle reason of the revcrse DC-Link cl珊ent of BLDCM during coIll】[Ilutation、阮s aIlalyzed,锄d was V嘶矗ed by exp甜ments. 11:lis p印er also in们duc髓a new popular FPGA design memod——XSG FPGA desi印,which is a¨dge between FPGA desi盟and MATLAB tools.XSG provides 姐meraCtiVe蓼apllical eIlV砷砌eIlt aIld a cuStoIIlizable set ofblock lib谢es tllat let people desi趴simulate,锄d tcSt a FPGA con呐1翌旧锄n easily 111e simulation bascxi on XSG/SimuliIll【is Ver),dif】hent fbom me 8inlulation using MATLAB/Simulink III 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 syst锄.HDL Code caIl be Created饷m XSG siⅡlulation systeIIl,锄d can be dowldoad t0 a FPGA Chip direCtly.Tllis p印er presents the main algoritllIlls of PMSM Vector con舡ol syst锨baSed on FPGA using XsG/Simuli咄砌ch was Validated by‰ simulation r.esults. Key words:P锄aIlent M删M0tor;FPGA;con仃ol; Multi M0tor;PwM; Ⅳ 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果,也不包含为获得迸姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权盘姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 年月 日 签字日期: 年月 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 致谢 转眼硕士阶段即将结束,在本论文完成之际,我心中感概颇多。首先我要感 谢我的导师邱建琪副教授,向邱老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。在硕士期间, 邱老师对我谆谆教诲,关怀备至。从硕士阶段开始时研究方向的制定,到硕士期 间每一次的实验、讨论,再到毕业时论文撰写、修改、定稿,邱老师都给我很大 的帮助。在做实验时,邱老师常常亲自给我示范,每当我遇到问题都耐心仔细解 答,使我受益匪浅。邱老师不仅教会我严谨求实的做学问的态度,更教会我认真 做人的道理。在生活上,每当我感到困惑时,与邱老师的谈话都会令我重新振作 起来,继续向前。很庆幸能跟随邱老师度过我的硕士生涯,再次感谢老师! 我还要感谢沈建新教授,史涔激副教授,张爱国老师,金孟加老师,这些老 师在我的生活和学习中给了我很大的帮助,在我进行科研的过程中给了我很多有 益的建议。 硕士期间,实验室的王凯博士、汪昱、王利利、方宗喜、李杭新、王灿飞、 刘嘉明、瞿亮、郝鹤、夏冰、林天散、吴俊、呼明亮等等,这些同学在生活中带 给我很多欢乐,在学习中也给我帮助很多,同样要感谢他们。我还要感谢07级电 机硕士班全体同学,感谢这些同学平时给我的帮助与关心。硕士期间与他们建立 起来的友谊我会铭记在心。 我要感谢我的父母,感谢他们这么些年来默默辛苦的为我付出,感谢他们养 育了我、培养了我。没有他们辛勤的付出,就没有我的今天。愿他们身体健康! 感谢我的亲人和女友,感谢他们的关心和付出,是他们支持我鼓励我,让我能全 身心的投入到学习中去,顺利完成硕士阶段的学习。 衷心的感谢1 2010年1月于西子湖畔浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的水磁电机控制系统的研究 第一章绪论 1.1永磁电机的发展【1】【2】 电机是进行机械能和电能相互转换的电磁装置,在工业生产和人们生活中发 挥着重要的作用。随着经济的发展,科学技术的进步,人们对于电机性能的要求 越来越高。永磁材料的研发以及电力电子器件技术的进步,使得永磁电机的研发 和控制都有了快速的发展.与传统电励磁电机相比,永磁电机具有结构简单,运 行可靠;体积小,质量轻;损耗小,效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等 显著优点。在一些场合,传统的电励磁电机已经被永磁电机取代。目前永磁电机 的功率等级很多,可以满足各个行业的发展要求,应用越来越广泛。 永磁电机一般可以分为永磁有刷直流电机和永磁无刷电机两种类型。永磁无 刷电机根据电机反电动势波形和供电电流波形的不同可以分为方波形永磁无刷 直流电机(BLDcM)和正弦波形永磁同步电机(PMsM)两大类。本文在后面 的研究中涉及到的永磁电机也主要是针对这两大类。 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的,我国在古代就发现永磁材 料的磁性特征,制造出对后来的航海业的发展起到重大推动作用的指南针。19 世纪20年代科学家制造出世界上第一台电机,这台电机就是由天然磁铁矿石产 生励磁磁场的永磁电机。不过天然磁铁矿石材料制造的电机,磁能密度很低,造 成电机的体积非常庞大,不久就被电励磁的电机所取代。随着新的电流冲磁器的 发明,永磁材料的磁能密度得到了大大提高。最初的碳钢、钨钢最大磁能积约为 2.7kJ/m3,现在第三代稀土材料的永磁体一一钕铁硼,在实验室中最大磁能积已 经达到了431.3 U/m3。 伴随着稀土永磁材料的发展,稀土永磁电机也相应可以分为三个阶段。20 世纪60年代后期到70年代,由于稀土材料价格昂贵,永磁电机主要应用于航空 航天领域.80年代,钕铁硼材料出现,永磁电机开始应用于工业和一些民用领 域。90年代以来,钕铁硼材料的特性进一步得到提高,电力电子器件的发展也 非常迅速,永磁电机开发的经验也越来越丰富。永磁电机的发展又揭开了新的篇 章。一方面,大功率、高功能电机不断出现;另一方面,研究永磁电机设计及控 制的文献不断出现,形成了永磁电机分析设计的一整套计算机辅助软件。 我国拥有丰富的稀土资源,世界上目前探明的稀土资源工业储量为11235万 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 吨,中国为5200万吨,占46%,其次分别为前苏联、美国、澳大利亚等国家。 发展永磁电机,我国具有重要的优势。 1.2 FPGA在永磁电机控制系统中的应用 1.2.1电力电子器件的发展【3】【4】【5】 电力电子器件是电机控制中重要的元件。自从1958年美国通用公司发明世 界上第一个普通晶闸管开始,电能的变换和控制就进入了从旋转的变流机组和静 止的离子变流器进入由半导体器件构成的变流器时代。半导体器件发展非常迅 速,20世纪40年代产生了大功率二极管,60年代出现晶闸管,70年代出现称 之为第二代的自关断器件,如门极可关断晶闸管(GTO)、功率场效应管 (MosFET)等,80年代出现了以绝缘栅双极型晶体管为代表的半导体器件, 80年代后期功率半导体器件开始模块化、集成化。这些电力电子器件一经发明, 便很快的被应用到工业控制中,大大促进了电机控制技术的发展。 1.2.2 FPGA在永磁电机控制系统中应用的发展 自从第一台电机发明以来,电机控制理论就不断得到发展。现代电机控制一 方面要求实现电机低成本运行,另一方面又要求电机在各种恶劣条件下可靠性运 行。如何降低电机控制器成本同时又实现电机可靠稳定运行,一直是科学家们关 注的焦点【6】【7】。 永磁电机的控制器最早是由模拟器件搭建而成,这种控制器设计复杂,器件 繁多,适应性不强。随着单片机(Mcu)出现,数字控制技术发展,Mcu被大 量应用于电机控制,基于MCU的永磁电机控制技术也得到了很大的发展。但是 由于单片机本身资源和计算速度的限制,一些高性能的电机控制算法,如矢量控 制等,都不能很好的实现,制约了永磁电机的应用.数字信号处理器(DsP)是 基于哈佛结构,数据处理速度大大提高,资源也较单片机有了很大提高,在算法 实现方面较单片机具有明显的优势,越来越多的用户开始使用DsP代替单片机 完成电机控制。基于DsP的专用电机控制电路也取得了很大的发展。随着电子 技术的发展,一些领域需要电机与外界进行通讯,还有一些领域需要多台电机协 同控制,这时DsP又不能满足电机控制的要求. 近年来,基于现场可编程门阵列(FPGA一一Field Pr0留ammable Gate Array) 的电机控制得到越来越多的关注。FPGA是在以前的可编程逻辑器件的基础上发 2 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 展出来的,属于可编程逻辑器件的一种,在20世纪90年代获得突飞猛进的发展, 目前已经成为实现数字系统的主流平台之一【8】【9】。1984年Xilill)【公司制造出全球 第一款FPGA芯片,在业内产生重要影响。现在其开发的产品从低端到高端都有, 满足了不同客户需求,在整个FPGA市场中占到了约50%的份额。另一家大的 FPGA生产厂商是A1tefa公司.灿tera公司也生产出一系列自己的FPGA产品。 这些公司生产的高端FPGA涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、 复杂计算及嵌入式系统设计技术的全部内容。现在的FPGA不仅实现了软件需求 和硬件设计的完美集合,还实现了高速与灵活性的完美结合,使其超越了ASIc 器件的性能和规模,也超越了传统意义上的FPGA的概念【8】.FPGA已经广泛的 应用在通信领域,尤其在高速通信领域。在工业控制领域,FPGA虽然起步较晚, 但是发展势头迅猛【101。 基于FPGA的电机控制技术在国外已经有很多人在研究,相关的文献也很 多。一些学者不仅在FPGA中实现了一些简单的电机控制算法,如:PI算法等, 还基于FPGA开发出一些智能算法,研究出基于电机控制的智能IP核【11】【12】【13】【141。 这些讲核可以在不同的系统中方便的移植,大大缩短了设计周期。国内对于 FPGA电机控制器的研究起步较晚,但是发展也很快。如基于FPGA的步进电机、 交流伺服电机、无刷直流电机控制器都有研究机构进行了很好的研究 【15】【16】【l刀【18】【19】. 1.2.3 FPGA在永磁电机控制系统中应用的优点 基于FPGA的电机控制器与传统控制器相比具有以下优点: (1)设计周期短,可移植性好。基于FPGA的设计一般采用自上而下的设计 方法,各个模块可以独立设计。编好的程序可以在软件中仿真,也可以直接在 FPGA平台中在线仿真。FPGA支持现场可编程,一旦发现问题可以及时修改, 产品的设计周期减短。现代EDA技术发展迅速,各大FPGA生产厂商都推出了 各自的设计套件,如:)(ilill)【的IsE,Altera的QurtaS II等。这些设计软件都是 使用通用的硬件编程语言,可移植性强,在不同的FPGA平台上设计出来的程序 可以直接移植。 (2)控制器接口灵活。FPGA很大的优势就是可编程,每个I/O口都可以根 据用户自己的意愿设计。而现在无论是DsP还是单片机,其用户可以自由支配 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 的端口数目都有限。一些功能只能由特定端口实现,如在电机控制中PwM波形 产生端口,这些在DsP出厂时已经由生产厂商设定了,用户不能自由的增加或 是删减。在多台电机协同工作时,需要控制器提供很多PwM端口,一般的单片 FPGA就可以满足用户需求,而如果使用单片机或是DsP,则需要两块或是更多 块。 (3)计算速度更快。在单片机或是DsP中,整个程序需要从头到尾依次执 行,每句执行时都会耗费一定的计算时间,这样如果程序语句很多,就会消耗很 多的时间。单独的提高DsP或是单片机的时钟频率又会带来电磁干扰等问题。 在高速电机控制器设计时,一些DSP已经难以满足要求。FPGA的编程语言是 硬件语言,经过编程软件综合映射,下载到FPGA中,FPGA就会直接用硬件电 路去实现程序。在实际的程序里各个模块可以按照设计者设定同时并列运行,不 存在编程语言顺序执行的问题,能节省很多的时间。另外,FPGA的编程语言都 是硬件实现,在一定程度上也提高了系统的可靠性。在一些环境恶劣的地方,比 DSP等软件实现的方法更有优势。 (4)易于实现电机控制专用数字芯片。FPGA设计是可编程的灵活的数字设 计。不同于其他的硬件电路,FPGA设计可以反复在线调试,工程师可以根据实 验情况及时修改FPGA程序,不必改变外围电路,直到设计达到目标要求。在 FPGA中设计的电机控制器,经过验证可以直接生产出对应的数字控制芯片,可 以大大缩短专用电机控制芯片设计时间和开发成本。 现代高端的FPGA中不仅集成了DsP,更有一些集成了CPu内核,时钟频 率可以做到几个GHz。这些硬件内核的出现大大增强了FPGA数字信号处理和 算法实现的能力,在很多领域已经开始取代DsP。FPGA生产厂商也会免费提供 一些IP核,这些IP核可以实现特定的功能,如FIFo、除法、数字滤波等等。Ⅲ 核都是由专业人员编制,并经过验证,可配置性强。用户可以根据自己的需要添 加到设计的程序里,缩短编程时间,增强程序可读性和可靠性。由此可见,基于 FPGA的永磁电机控制具有很大的发展前景。 1.3本文研究的主要内容及章节安排 基于FPGA的永磁电机控制技术是全数字化电机控制的新趋势。电机控制 算法通过硬件描述语言转换为实际的硬件电路实现,其实现与传统的单片机 4 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 (MCU)或者DsP实现有很大的区别。本文对基于FPGA的永磁电机控制技术 进行了深入研究,涉及的永磁电机包括方波形永磁无刷直流电机(BLDcM)和 正弦波形永磁同步电机(PMsM)两类。本文主要章节安排如下: 第二章首先介绍了传统的永磁无刷直流电机控制的原理及控制系统组成,在 此基础上详细介绍了基于FPGA的永磁无刷直流电机速度闭环控制系统的硬件 电路,其中重点介绍了实验中所使用的FPGA芯片及其特点。 第三章介绍了FPGA的设计开发软件IsE,阐述了基于ISE的FPGA设计 流程,并将其与传统的设计方法进行比较,说明这种设计方法的特点。详细介绍 了基于FPGA实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的各个主要环节的设计开发, 包括数字PwM,PI等环节的FPGA编程实现。在充分发挥FPGA功能的前提下, 将更多的功能,如:速度采集电路等,用FPGA去实现,减少系统的硬件开销, 从而降低系统的成本。本文首先在一块FPGA芯片中实现单台永磁无刷直流电机 的速度闭环控制,然后在一块FPGA芯片上实现多台永磁无刷直流电机的控制。 在本章的最后对基于FPGA的单台和多台永磁无刷直流电机速度闭环控制系统 进行了实验验证。 第四章在实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的基础上,详细分析采用不 同的PwM调制方式对母线电流的影响.在FPGA中实现各种PwM调制方式, 从理论上分析了不同的PwM调制方式对母线电流的影响,接着基于FPGA平台 在实验中对理论分析进行了验证。 在第五章本文重点介绍了永磁同步电机的xsG/siInuliIlk的混合仿真。xsG 是一种新型、快捷的FPGA设计方法。XsG建立的仿真相当于一种硬件在线仿 真,仿真的模型可以直接生成相应的硬件编程语言,这些语言经过综合实现后可 以直接下载到FPGA中运行.这一部分介绍了xsG工具的使用方法,以及使用 XSG进行FPGA设计编程的优点。详细介绍如何在MATLAB环境中建立PMSM 矢量控制的xsG/simulink混合仿真系统,重点介绍了控制系统中各个环节,包 括sVPwM(正弦电压型脉宽调制),Park变换,cl破变换以及PI调节器的xsG 编程实现等。 文章最后对本文所作工作和不足进行了总结,并对下一步工作进行了展望. 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 第二章基于FPGA的永磁无刷直流电机控制系统硬件电路 2.1无刷直流电机的控制原理【1】【21 永磁同步电动机按照供电电流波形的不同,可以分为矩形波永磁同步电动机 和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。矩形波永磁同步电动机又称 为永磁无刷直流电动机。无刷直流电动机是在有刷直流电动机基础上发展起来 的,有刷直流电机由于其控制简单,在工农业生产中得到广泛应用。但是由于换 相器的存在,有刷直流动电机存在换相火花,给电机的维护和安全带来很大的不 便。早在1917年,B01iger就提出了使用整流管代替有刷直流电机的机械换相器。 1955年,美国的D.Harrison等人首次申请了使用晶体管换相电路代替有刷直流 电机电刷的专利,标志着无刷直流电机的诞生。1975年,在NAsA的报告中首 次提到了无刷直流电机。 无刷直流电动机运行原理可以借鉴有刷直流电动机的分析方法。理想的情况 下假设永磁体在气隙中产生的磁通密度呈矩形波分布,在空间占据1800(电角 度1;电枢反应磁场很小;定子中通入三相对称的矩形波电流,定子绕组为600 相带的集中整距绕组。这种情况下气隙合成磁动势为恒定的矩形波,其气隙磁密 曲线如图2.1所示。 瓷B』◆≠ I\\ 万 /l 2万 \v/ 图2.1理想无刷直流电动机的气隙磁密曲线 由图2.1可以得到整距集中定子绕组的相磁链为 (,一冲。 、壬,p)= (讲抑。 O≤秒≤刀 万≤19≤2万 磁链的最大值 、王,。=^口子fl三矿 6 (2.1) (2.2) 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 式中Ⅳ一一定子绕组每相串联匝数;见一一永磁体产生的磁密。 由式(2.1)可以得到每相定子绕组中的反电动势 E=髀防锌扣国 协3, 由于在任一时刻只有两相绕组通电,且在理想情况下,相电流与相应的相反 电动势同相,此时电动机的电磁转矩可以表示为 乙=2E,w昙=昙胛。,oc (2q C上, /‘ 由于电动机换相时间很短,忽略换相时电动机定子绕组电感上的电压降,理 想情况下稳态时电动机的电压方程式可以表示为 U=2尺l,Dc+2E。=2Rl,Dc+二、王,。国 (2—5) 式中 蜀一一电动机定子绕组相电阻;驴一一电动机的端电压。 由式(2.4)、(2.5)可以得到电动机转矩.转速特性方程 …。(,一专) 协6, 式中舻考;‰=妻删∥t=芸· 在式(2.6)中可以看出,通过改变最大磁链和电动机的端电压就可以达到 调节无刷直流电动机转速的目的,这种特性与有刷直流电动机非常相似。这也正 是矩形波永磁同步电动机被称为无刷直流电动机的原因。 2.2无刷直流电动机的控制系统【20】【21】【22】 无刷直流电动机的控制系统一般包括三部分:无刷直流电动机本体、驱动控 制器和位置传感器。典型的无刷直流电动机的控制系统可以用框图2.2表示 一≮“j 一 i∥j 叫 ≤n^!悭 一 —rL==三———J。 ≮“j 【≮j 位置 传感器 一..f—l…一j 图2.2无刷直流电机控制系统框图 7 浙江大学硕上学位论文 摹于FPGA的永磁电机控制系统的研究 位置传感器有很多种,现在使用较多是霍尔传感器。电机在旋转时气隙会产 生周期变化的磁场,霍尔元件中的自由电子在变化的磁场中就产生变化的电流。 电流转化为霍尔元件电压的输出,电压经过放大就可以得到电机转子的位置信 号。霍尔传感器按照在空间安放的电角度不同可以分为1200和600两种方式,其 安放位置如图2.3所示。 V HaIl A V Hall A 1200 图2.3(a)霍尔按照1200电角度安放 1200 (b)霍尔按照600电角度安放 根据霍尔传感器的电压信号就可以知道电机的位置,从而对电机实现控制 【231。霍尔信号与相反电势之间的对应关系如图2.4所示。 / I\ \I ia 、 曲 {/ 伯i I/ / I,/i \j 。\, I一 脚t / 。/高 7\ \I ic Ec t/ 。/ 。\ \l 赢 Halil a Hal aJ: ;IIa啦-c; oo 30.6扣900 1200 150D 1800 2loD 2j俨2;oD 3joo 3300 3600 图2.4无刷直沈电机相反电势与霍尔信号对应关系 位置传感器产生的位置信号,经过控制器的环分电路产生对应功率晶体管的 开通和关断的驱动信号。这些信号经过光电隔离后送到功率晶体管的驱动,就可 以控制无刷直流电机的运行了.在驱动信号上叠加上高频PwM信号就可以实现 电机的无级调速。 2.3基于FPGA的永磁无刷直流电机控制系统硬件电路 在设计FPGA的无刷直流电机控制系统过程中,在实现FPGA对无刷直流 电机进行速度闭环控制时,尽量减少系统的硬件开销,本文中将速度检测电路采 斯Ⅱ^学砸±学位论文 基于FPG^的永碓电机挖制系统的研究 用FPGA去实现,省去了速度测量的硬件电路.整个FPGA控制的无刷直流电 机速度闭环系统硬件框图如图2.5所示. 圜磬·h j囤( FPGA sPA8碍舻s400 ij■ 目2 5基f FPGA自£q直魂电机控制幕坑硬件推雷 2 31 xilinx的sPAR,[AN3系列芯片介绍【81241 xlILll)【是全球最早的FPGA生产厂商,也是目前最大的FPGA制造厂商。 xlIhⅨ公司推出了一系列从低端到高端的FPGA芯片,sPARlAN3系列FPGA 芯片是性价比很高的芯片,在一些资源要求不多的地方完全能满足设计要求。本 文中就采用了s队砌州3系列FP6A中的xc3s400.pq208.现在的FPGA芯片 都是基于查找表结构,但是其性能已经远远超出了普通查找表的概念。FPGA芯 片内都主要由六部分组成:输~精出单元(IOB)、基本可编程逻辑单元(cLB)、 时钟管理(DcM)、嵌入式块RAM、丰富的布线资菲、内嵌的底层功能单元和 内嵌专用硬件单元。FpGA芯片的内部结构如图2.6所示. 黑 圈 刨 l tH鼻一一 肝 哥垤 m二 、TJ 岳 舟 母 捶 圉函 囱 目2 6 FPG^自∞结扮 每个部分的功能简要的介绍如下。 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 1.输入/输出单元(IoB) FPGA的输入输出单元是可以编程的,典型的loB内部包含存储器、可编程 缓冲器、可编程延时线、可编程偏置等等。用户可以根据自己的需要对I/O单元 进行编程,满足不同的电气特性下对不同的输入/输出驱动的匹配。在FPGA内 部IoB被划分成不同的B诎,每个BaIll【有独立的接口标准,一个Balll(中的供 电电压相同。xc3s400.pq208最大的用户可配置IoB数目有264个,分成八个 B诎。每个IOB都支持数据双向传输,且每个IoB都具有数字控制阻抗在线自 动匹配功能,简化了PCB版图设计。单个IOB的传速率可以达到622Mb/s。 2.可配置逻辑模块(CLB) 可配置逻辑模块(Configurable Lo西c Blocb)是FPGA的基本逻辑单元。每 个CLB由几个内部互联的slice和开关矩阵组成。在sPARlrAN3系列中每个CLB 里面都有四个sliCe。每个slice都是由两个查找表函数发生器、两个存储单元、 函数复用器、进位逻辑和算术逻辑单元。每个cLB不仅可以实现组合逻辑、时 序逻辑,在用户需要时还可以配置成分布式的洲和分布式RoM。 xc3S400.pq208中具有896个CLB,典型的cLB结构如图2.7所示。 十Cout Cin 图2.7典型的CLB结构 3.数字时钟管理模块(DCM) sPARTAN3系列FPGA芯片提供了灵活的数字时钟管理单元(Di西tal CloCk MaIlager)。数字管理器中有数字锁相环电路,方便用户消去时钟抖动,在一定 的范围内对输入时钟进行倍频和分频,也可以实现对时钟的移相。这些功能在数 字电路设计时非常有用。 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 K1Nr、n口r’ PSEN CLKIN I璐T—— DfM —l :l Phase -PsDoNE{:=::~… -●__’’…‘一…● CIock thgtrltmtl∞L— dday 』正 _●___一 营 §l ∞ 一彳P 售 “J,奢 ————^l 罚j 7f蕾 ———p/ 芎i } I凸 喜i 6} DLL DFS ” Stan巧 Lo面c -CLKO -CLK90 。CLKl80 。CLK270 -CLK2X ·CLK2X180 。CLKDV 一-CLKFx 加CLKFXl80 —-LoCKED —STAlUS【7:o】 图2.8 DCM功能不愿图 4.嵌入式的块洲(Block洲) FPGA内嵌了块RAM,大大方便了用户也拓展了FPGA的用途。B10ck RAM 可以配置成单端口RAM、双端口洲、内存地址存储器以及FIFo等常用的存 储结构。不同的FPGA中的删容量不同,可以根据需要选用不同的存储深度 和位宽。sPAKrAN3系列所有的FPGA芯片都支持块RAM,这些块洲都是 同步可配置。块RAM在存储时比分布式RAM更加灵活,且效率更高。 Write ④ 《 芑 厶。 Write —\ ./’ ① > Read _●—“ Spartan3 Dual POrt Block RAM ∞ t 山o ,d_一 <\ 图2.9 spartaIl3 Block RAM数据传输路径 5.丰富的布线资源 布线资源将FPGA中所有的模块连接起来,连线的驱动能力和传输速度与 连线的长度和工艺紧密相关。在FPGA内部有四类布线资源:全局布线资源、 长线布线资源、短线布线资源和分布式的布线资源。在设计时用户不必关心这些 资源如何利用,设计软件会自动根据网表来分配。在满足时序要求的情况下,选 择最优布线方式,节约FPGA资源。 6.底层内嵌功能单元 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 底层内嵌单元主要包括DLL(Delay Locked Loop)、DsP、cPu等软处理核。 这些软处理核的嵌入大大增强了FPGA的功能,使单片FPGA成为了系统级设 计工具。sPARTAN3系列芯片中没有DsP、cPu等功能很强大的软核,但是一 些数字锁相环等内嵌软核已经能基本满足用户要求。 7.内嵌专用硬核 内嵌的专用硬核(HardCore),其功能等效于AsIC电路。一些FPGA中集 成了专用乘法器,高端的FPGA中还集成了串并收发器。sPARTAN3 3s400芯片 有16个嵌入式18bitsxl8bits硬件乘法器,在实现乘法时非常简单,用户只需要 在程序中使用乘法符号“妒,ISE就会自动调用乘法器m核。这种硬件乘法器, 计算速度快,可靠性高,实用性强。 A【17:0】一 MULTl8×18S B【17:0】~ CLK— > CE — RST-L P[35:0】一 图2.10 S雕测rAN3芯片中18bi觚18bi协硬件乘法器 SPARTAN3系列FPGA芯片性价比高,适合应用于消费类电子产品,在工 业控制领域也有独特的优势。 2.3.2 FPGA的配置芯片【24】 FPGA都是通过仿真软件将写好的程序生成的比特流文件下载到内部的配 置存储单元中去。FPGA配置过程是通过JTAG下载线连接到专用的配置管脚来 进行的。FPGA的配置方式有很多种,用户可以根据项目的需要自行选择。常用 的配置模式有从串模式(Slave s甜a1 Mode)、主串模式(Master s嘶al Mode)、 主并联模式(Master Parallel Mode)、从并联模式(slave Parallel Mode)以及边 界扫描模式(Boulld.叫Scan Mode)。从串模式中,FPGA从一个串在电路中的 芯片中获得配置比特流,这时FPGA的CcLK管脚是输入模式。slave serial Mode 下,可以使用一块配置芯片配置多块FPGA,配置程序按照一定的时序依次配置 每块FPGA。这种配置模式优点是能节省配置芯片,缺点很明显,多块FPGA芯 片不能同时配置。在Master s丽a1 Mode下,FPGA的ccLK管脚是输出模式, 即由FPGA内部时钟来控制串型的PROM。程序先下载到PRoM中,然后FPGA 浙江人学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 自动上电读取程序,这种模式在工业应用中很多。本文中使用的Xilinx公司指 定的配置芯片xcF02s,采用主串配置模式,其配置电路如图2.11所示。 3.3V 2.5V 2.5V 图2.1l FPGA主串配置模式原理囹 FPGA并联配置模式适合多块FPGA同时工作,配置数据并行发送到FPGA 中,配置速度快。FPGA的边界扫描配置模式支持在线调试和仿真,借助XilinX 提供的相关软件,如:)(ilill)【的C11ipscope可以实时在线观测FPGA的管脚和内 部寄存器的状态,方便用户调试。在编程调试阶段多采用这种配置方式。 2.3.3 FPGA晶振电路 在本实验中,FPGA采用40MHz时钟输入。为保证FPGA能可靠工作,晶 振采用有源晶振。具体的晶振电路如图2.12所示。 图2.12 FPGA晶振电路 2.3.4 FPGA芯片供电电路 sPARTAN3 xc3s400芯片的电压等级有3.3V、2.5V、1.2V。3.3V用来给FPGA 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 的IOB供电,2.5V给一部分IOB的Banl(供电,同时提供给配置芯片,1.2V给 FPGA内核供电。采用较低的1.2V供电,可以减小芯片功耗。为保证芯片安全 工作,所有供电电源均从5V转化而来,分别采用专用的5v转3.3v、2.5v和 1.2V芯片。本实验中3.3V转换芯片采用As2830.3.3,2.5v转换芯片采用 As2830.2.5,1.2V转换芯片采用鼢N1589.1.2。具体的供电电路图如图2.13所 示。 图2.13 FPGA供电电路 2.3.5 FPGA的复位电路 常见的FPGA复位方法有硬件复位和软件复位两种。硬件复位原理简单,在 上电时,芯片按照一定时间延时产生一个上升沿或是产生一个下降沿,FPGA采 集到跳变沿,即可对系统进行复位操作。硬件复位优点是操作简单,支持外部手 动复位;缺点是需要多加一块复位芯片,复位时间不能精确控制。软件复位原理 和硬件复位原理一样,只不过是用户根据自己需要在程序中加入了一段延时程 序,具体的延时时间可以精确控制。软件复位的缺点是不能实时在线复位。在本 实验中,采用sTc811芯片实现硬件复位。sTc81l芯片管脚只有四个,外围电 路简单,支持手动复位,使用非常方便。使用sTc81l的FPGA复位电路如图 2.14所示。 14 新Ⅱ太学碗±学位论女 甚十FPGA的永鞋电机控制系统的研究 城…赫Lo一。 lkset circuit —:。上m nR: ̄T脚jJl6I j型D sTc8 目214 FpGA£口E% 2 3 6智能功率模块(IPM)125】 本实验使用cvrnec公司的智能功率模块耻3400E,模块耐压600v,最大 电流20A.这款智能模块集成了IGBT、功率管驱动电路、欠压保护电路和过流 保护电路,是一袭用于电机驱动的高性能功率模块。使用IPM模块简化了电路 设计,提高了电路可靠性。结口M模块配置好外围电路,FPGA产生的PwM信 号经过光耦隔离加到IPM上就可以产生三相电压,接到无刷直流电机输入电压 端上就可以驱动电机工作。FPGA与IPM的连接电路如图2 15所示. 妻掣 ~莓一 叫 土’::,一…“… ¨’GA 日215 lPM和FPoA的连接电路 IPM的外围电路设置简单,具体配置如图216所示 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 图2.16 DM模块的外围配置电路 2.3.7光电隔离电路 为保护FPGA,需要将FPGA控制信号和功率放大电路隔离开。可以采用一 个光耦隔离电路实现。本实验中采用光耦TLP521,这种光耦价格便宜,加上三 极管后速度足够快,满足实验要求。 图2.17光电隔离电路 16 浙江大学硕士学位论文 基于FpGA的永磁电机控制系统的研究 2.3.8 DA转换芯片 实验中为观察闭环控制时速度曲线,需要将速度的数字信号转换成模拟信 号,以便在示波器上观察。本实验在FPGA平台中加入一款DA转换芯片,查 看相关资料,本实验中采用DAC7625。这款芯片功耗低(20mw),12位数字信 号并行输入,控制简单,转换速度快.芯片输出有四路,利用程序可以独立输出, 满足实验要求。DAc7625的外围配置电路如图2.18所示。 V2 S CPA3 10UF 图2.18 DAC7625配置电路 2.3.9 FPGA平台PCB图 本实验设计基于SPARTAN3xC3S400.pq208芯片的实验平台。由于FPGA管 脚众多,且管脚之间的间距很小,为方便布线,采用四层板设计。在布线时需要 注意将FPGA时钟管脚和晶振管脚分开布线,尽量减小相互之间的干扰。 17 淅Ⅱ^学《十学位论丘 基f FPO^的m硅电机控镛系统的研究 目219 FPOA}台PcB版日 本章首先夼绍了无刷直流电机的控制原理,接着详细介绍了实验的FPOA平 台,重点介绍了实验中所使用的FPGA芯片功能和资琢,并给出了平台中各个 芯片的外围电路,以及实验中无刷直流电机控制电路的功牢驱动电路.在本章的 基础上,在第三章将进行FPGA程序设计和实验验证. 浙征大学硕±#位论文 摹十FPGA的永碓m#t牲制系统的研究 第三章基于FPGA的多台永磁无刷直流电机控制系统的实现 本章重点介绍基于FPGA的多台永磁无刷直流电机控制系统的实现.在介绍 基于IsE的FPGA设计流程的墓础上,详细介绍控制系统的各个主要环节的 FPGA的编程实现.对每个环节的功能进行了仿真,并将程序下载到FPGA芯片 中进行了宴验验证。 3.1基于IsE的FPGA开发流程川l圳 随着计算机技术的突飞猛进和FPGA的广泛应用,EDA(Elcc廿oIlic D船i辨 Automanon)电子设计自动化技术在工程师的设计中也越来越重要.现代EDA 设计方涪政变了传统的基于卡诺图.小规模1’rL电路的堆劫等为代表的传统的 数字电路设计方法,采用软件鳊程印可生成相应的硬件电路,真正实现了软件和 硬件的完美结合.甚至在系统运行时,借助相关软件可以在缦调整系统的硬件参 数而不用重新设计电路. 基于FPGA的开发,可以分为硬件开发设计和软件开发设计.硬件设计包括 FPGA芯片的电源电路、配置电路、存储器电路、输入输出电路以及其他设备的 电路设计,这些在第二章中已经给予了舟绍.在本章主要介绍基于FPGA开发 的软件设计流程。IsE是Ⅻi11)【公司推出的一套用于开发xilinx公司的FPGA和 cPLD的集成开发套件,它能提供从设计精入到综合,布缦、各种时序仿真,下 载的空部功能。基于fsE的典型FPGA开发流程可以表示成图3 1. D。。面品■二:!“哟“on.. t , Behav;o‘ Synmesis‘ 5…“‘“哆 Post-svnthesis —L——’sjmiIalion 【mnIanem rTra工Isfer、 PoshMap&& Mao、Place&& 。 Place Rou把) 璺毋“1型塑哩. fhgm .(:i托llit , 田3I FPGA鼻型设计涟程框田 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 3.1.1基于IsE的设计输入 IsE允许输入的设计文件种类大致可以分为两种,一种是原理图输入;另一 种就是硬件编程语言输入。原理图输入具有直观、简洁的特点,但是灵活性不足, 在应用到不同的器件或是不同的综合工具时均需要修改,可移植性不强。硬件编 程语言输入则具有通用性,可以适应各个不同的器件或是不同的设计软件。在本 文设计中均采用硬件编程语言输入。 现代EDA技术基于计算机平台,采用硬件编程语言、铺log HDL(Hardware Des函ption Language)或ⅦDL(Vc:ry-Hi曲-Speed hnegrated Circuit Hardware Des嘶ption Language)。VHDL硬件编程语言在描述一些抽象性更高的设计时具 有优势,但是由于其严格的程序格式,设计者使用起来很费时间,普通的设计者 更倾向于使用、衙ilog HDL。、衙ilog HDL最初是在1983年Gateway Desi盟 Automation公司为其模拟器产品开发的硬件编程语言,当时只是作为一种专用 语言。由于他们的模拟器产品被人们广泛使用,V撕log HDL作为一种易学易用 的语言逐渐为广大设计者所喜爱。1995年V耐log HDL正式成为IEEE标准。 Vedlog HDL用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。 被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门电路和完整的数字系统之间。 Ⅵ耐logHDL具有很强的描述能力,可以描述设计的行为特性、设计的数据流特 性、设计的结构组成以及设计的验证时延和波形的产生等等。在起初推出的 V嘶109 HDL在描述抽象设计时存在缺陷,但是随着Vc加log HDL不断完善,现 在V踟log HDL的描述能力已能满足绝大部分设计者要求。V两109 HDL从c语 言中继承了很多的操作符和结构,有C语言基础的编程人员学习起来很快。 3.1.2基于IsE和Modelsim的仿真 设计文件输入后,用户可以对其功能进行仿真。在IsE中用户可以使用HDL BenCher的图形化波形编辑器来编写测试文件,或者直接编写testbeIlch文件对输 入程序进行测试。采用HDL Bellcher编辑器时,复杂的时序逻辑波形往往很难 画出,更多的用户采用编写testbeIlch文件来进行仿真。TestbeIlch语言和Ⅷlog HDL语言一致,使用起来非常方便。)(ilinX的IsE在仿真时会占用计算机大量 的内存,在需要进行数据量很大的复杂系统仿真时单独使用IsE软件往往不能满 足需要。基于这种考虑IsE软件提供了与Modelsim仿真软件的接口。Modelsim 浙江大学硕士学位论文 基于FpGA的永磁电机控制系统的研究 是Melltor Q.apllics出品的一款用于ⅦDL、、钮log、Syst锄c、SyStemⅥ时log 以及混合语言设计的仿真和验证工具。在IsE中直接调用Modelsim软件可以帮 助用户快速对系统进行仿真。 3.1.3基于)(ilinxxST的综合 综合(s),11meSis)是FPGA设计中非常重要的一步,它将HDL语言、原理 图等设计的输入文件翻译成由与门、或门、非门、触发器、洲等等基本逻辑 单元组成的逻辑连接文件,一般称为网表文件。现代的xilinx XST具有自动优 化功能,可以根据用户目标和约束条件优化网表,使用户的设计性能达到最优。 经过综合后用户就可在ISE中观察到寄存器传输级原理图一一l盯L(Re酉ster Translation Levcr)Sch锄atic。用户可以查看综合报告,考察设计是否满足设计 要求。 3.1.4基于IsE的实现 实现(Implement)是将综合输出的网表文件翻译成所选器件的底层模块与 硬件原语,将用户的设计映射到相应的器件结构上,进行布局布线,达到在用户 所选定的器件上实现用户设计的目的。实现包括三个步骤:翻译(TraIlslate)、 映射(M印)和布局布线(PlaCe&Rou钯)。翻译就是将逻辑网表翻译为相应FPGA 特定器件的底层结构和硬件原语,在IsE中是生成NGD文件(原始类型数据库) 和BLD文件(转换的运行和结果报告)。映射过程中,将NGD文件映射为特定 的物理逻辑单元,并存在NcD文件中.布局布线时读取NcD文件,将映射后 生成的物理逻辑单元在目标系统中放置和连线,并提取相应的时间参数。 3.1.5基于ISE的芯片编程 实现完成后,直接在IsE软件中双击“Gellerate Pro孕amming File”选项即可 生成下载文件。这也是FPGA编程的最后一步。 Xilill)【ISE软件还给用户提供了功耗分析软件一一XPower、管脚和区域约束 编辑器一一PAcE以及时序分析器等等,使用IsE软件基本满足了设计需求。 现在常用的FPGA设计软件还有Altem的Quan:uS II、M∞(+PLus II等等, 第三方厂商还针对FPGA设计推出了仿真软件如:Modelsim,cadellce,o酊AD, S),Ilopsys等. 3.2基于FPGA的无刷直流电机的控制系统软件设计 浙江大学硕士学位论文 摹于FpGA的永磁电机控制系统的研究 传统的soC设计是将整个系统的功能都集中到一块,这种设计周期长、修 改困难、实现成本高。在实际中还存在设计软件编译时间的问题,如果整个系统 都在一个大型程序中实现,每次编译的时间将很长。有时为了满足时序和功能要 求需要多次修改,导致整个设计的周期很长。现在基于FPGA的系统设计,可 以将整个系统分为若干个功能模块,每个模块实现特定的功能。每个模块之间事 先预留接口,可以实现无缝连接。这样整个系统设计可以分为几个部分,可以交 由不同的工程师实现,缩短了设计时间,且修改简单。本实验中也将无刷直流电 机的控制系统设计分为几个部分。无刷直流电机的控制系统在FPGA中实现有 几个关键部分:PI调节器、PwM产生电路、速度采集以及环分电路的实现。下 面将分别进行介绍。 3.2.1 PI调节器的FPGA实现【261 PI(Proponion Inte刚ion)调节器由于其实现简单,性能基本能满足控制要 求,在现代工业控制中得到了广泛的使用。比例部分主要是用来放大误差加快系 统的调节速度,积分部分则是来消除误差。PI调节器有很多变形,如:积分分 离PID、不完全微分PID等等。本文中的控制对象是无刷直流电机,在理想的情 况下,无刷直流电机的数学模型可以等效成一个一阶系统,使用传统的PI调节 器来控制系统就能获得较好的动态和稳态性能。 传统的PID算法有两种,一种是位置式控制算法,一种是增量式控制算法。 在位置式控制算法中,每次输出和系统误差的整个过程有关,误差累积会导致系 统出现不良的超调现象,甚至导致系统发生振荡不能稳定。增量式PID是使用 两次的PID调节量的差值来产生控制信号。增量式PI算法的公式如式(3.1)所 示。 y。==-rPCP。—-专砉Ptr)+y。 c 3_·, y。一。=ⅨP(巳一。+毒茎口。丁)+y。 c 3-2, 式中 少。一一第n次PI控制器的输出;夕州一一第n-1次PI控制器的输出;蜘 一一控制器输出初始值;KP一一比例系数;P。一~第n次的误差信号;%一l一 一第n.1次的误差信号; 互一一积分时间常数;r~一采样周期。 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的水磁电机控制系统的研究 将式(3.1)减去式(3.2)可以得到增量式PI控制器的表达式: z§少。=:jrPl G。—-口。一.)+j吾P。l (3—3) 为方便运算将式(3。3)进一步写成: 缈。=K户k。一‰一1)+Kje。 (3_4) 由式(3-4)可以看到在PI控制器中需要两个乘法器。乘法器在FPGA中可 以有多种实现方法。方法一比较简单,由于sPARTAN3中有18bitsx 18bits的硬 件乘法器,可以直接拿来用。另一种方法就是采用加法和移位运算来代替乘法运 算,如:1.25=1+l/4,而1/4又可以由1左移两位得到,这种算法在数据比较 简单的时候使用非常方便且节约了资源。在PI调节器中,酶,墨可能为小数, 在DsP数字控制系统中,小数一般采用定标的做法。在本文中采用定标和移位 相结合的办法对小数进行处理。FPGA设计软件中提供了免费的浮点运算IP核, 在本实验中也可以使用,但考虑到节约资源没有采用。 PI控制器的运算在每次进入PI控制环时都需要进行,为节约资源采用合理 的编程语言,对每次的运算都采用组合逻辑实现,而每次的更新则用时序来控制, 这样既加快了运算速度,又节省了资源。整个程序流程图如图3.2所示。在本文 中经过试验调试,设定在岛为O.25,局为1.25时系统动态响应和稳态误差都较 好。在进行乘法运算时比例系数采用定标的处理方法,而积分系数则使用加法和 移位的方法实现。经过ISE综合后,查看综合报告表格3.1可以看到整个PID环 节消耗的FPGA资源很少. ’ 1:墨兰:【里!:皇!!!!二堕:呈d 图3.2 Pl控制器程序流程图 浙江人学颈±学位论文 基于FPG^的血鞋电机控甜系统的研究 Device雠I“#a“on㈣,: 丧3l Pl控卅暑蝽古目请耗的FPGA贵并情况 selected D吖i…x们,日00pq9208一{ NNImne由r…off SSlli—一:F11p r10p5 NImber0±{1nput LUT5: NNlIⅡ∞自……±f103: bonded IOBe: W珊自…f GCLK日: 在IsE中调用Moddsh软件,对PI控制器进行开环仿真.给定固定的速度 量化值200,给定参考速度量化值300,对PI调节器的输出值进行限幅。图3 3 是仿真结果,可以看到,在PI调节器的作用下输出占空比值b1在不断减小,符 合设计要求. 盛三要爰三盈三弓 目3 3 PIⅧ节嚣仿真嵌Ⅳ目 3 2.2 PwM产生电路程序设计唧阱脚】I划 PwM(Pmsewid血M0dul越or)胨宽调制,是现代电机控制中普遍采用的一 种调速方法.PwM调制模式是利用控制信号控制功率营的关断和导通,将直流 母线电压转变成电压脉)十序列,达到改变逆变器输出电压的目的.PwM调制通 常有三种:调频调制、调宽调制、调频调宽调制.调频调制就是在固定导通时间 的情况下,改变PwM的频率,达到改变输出电压的方式,这种调制方式在实现 时比较繁琐。调宽调制是固定PwM波形的额率,改变导通时间,从而改变占空 比,达到调节输出电压的目的。调频调宽调制方式就是既可以改变PwM的频率 又可以改变PwM的导通时间.在本文中采用调宽调制方式。 在模拟电路中PwM波形是通过Pl调节器的精出值与三角渡或是锯齿渡进 行比较,比较器的输出就是PwM波形.PwM波形产生的原理如图3 4所示。 浙江人学颂±学&论文 堆于FPGA的永碰-n机摊制系统的研究 田3 4模拟PwM产±原理 目3 5鼓宇pwM产生犀理 在FPGA中,没有连续的三角玻或是锯齿渡载渡,只能采用数字计数器来近 似模拟.数字PwM原理如图3 5所示.计数嚣模拟三角载波兢会涉及到计数器 位教的问题,假设PwM的频率是lOOkHz,如果要求计数嚣是lobits,那么计数 器的频率就要到100MHz.要求的计数器位数越多,则需要的计鼓墨频率就会越 高。一般的FPGA输入频率都只有几十兆赫蟊,要想安现精度较好的PwM,必 须要对输入时钟进行倍频.在FPGA中,为方便用户对输入时钟进行管理,xilinx 为用户提供了DcMIP梭。在IsE的配套软件中有xill眦coreG舶眦Ior。打开 xili腻cofeG衄盯a吣f,新建一个工程,找到sin甜eDcMIPcore,双击打开可以 看到页面如图3 6所示.用户设定输入时钟频率或是周期,选择输出时钟类型, 完成DcM模块的配置,点击生成按钮,即可生成相应的DcM文件.在工程中 加入DcM文件,采用端口连接方式,就可以实现输入时钟的管理. 本实验中FPGA输入时钟为40MHz,经过DcM倍频产生80MHz的PwM 计数时钟.在Modelsim中仿真结果如图3 7所示.sto是输入40MHz的时钟, stl是DcM产生的80MHz的时钟. :竺釜凝鼾:二;<二:二二二二■。二一二ft二 田3 7 DcM仿真结果 在IsE中对PwM产生程序进行缘台后可以得到PwM产生电路的RTL级 电路图,在不综合DcM的情况下,在表3—2可以看出消耗的资源非常少.在IsE 中编写测试文件,调用ModdsilIl软件对PwM模块进行功能仿真,从仿真结果 围3.8可以看到,设计的PwM模块达到设计要求. 浙旺大学硕±学位论丘 萋十FPG^的永碱电机控制系统的研究 目3‘x-linxDcMⅢcom£i界自 雷3 B PⅣM幔块仿真结果 隶3.2 PwM攫块a月的FPGA赉薄情% DeviceuciUza“on3u∞4毗,: i“”””“”…““”“””4 N1n曲er。f Sli嘟: N皿m…t Slice rlip F10口5: NNllmm自自㈣…ff’inp啦L盯0: 105: N1D由…t bonded I∞3: N皿m…f 0CL勋: 16 Out 0t 12 ouc 0t 3l ont 0± 3S 3q Ouc of 1 o雠of 3S日q 7168 7168 141 8 0% 0% O≈ Z{々 12々 3 2 3速度采集环节的FPGA编程实现洲蚓 在传统的电机控制系统中,速度采集都是采用光电编码盘实现.光电编码盘 剥速精度高,但是必须要在电机轴上外挂一个编码盘,增加了控制系统的成本. 永磁无数直流电机一般采用三个霍尔元件作为位置检测装置,利用霍尔信号产生 的方渡信号可以实现电机的速度检测.本文采用FPGA编程实现速度检测。从 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 实验结果看很好的解决了速度采集问题,降低了成本,简化了系统。 在本实验中使用的无刷直流电机的位置检测装置是霍尔传感器,在第二章中 已经介绍了霍尔传感器工作的原理。本实验中就利用霍尔传感器输出的霍尔信号 实现电机的速度检测。每相的霍尔信号在一个电周期内会出现一个高电平和一个 低电平,下一个周期将重复出现。霍尔信号的周期就是电气角速度的周期。由于 电机的电气角速度等于电机的机械角速度乘以电机极对数,在知道电机极对数 后,测得电机的电气角速度就可以算出电机的机械角速度。这样,无刷直流电机 的速度检测就可以转化为对霍尔信号周期的检测,可以使用脉冲测量法实现,将 脉冲频率转化为速度信号。采用脉冲测速,根据不同的速度和测量精度有不同的 方法。具体有M法、T法和M厂r法。M法适合于测量较高的速度,T法适合于 测量较低的转速,M仃’法在测量高速和低速时都合适,只是实现起来比较复杂。 M法就是规定一段时间,在这段时间内记下霍尔信号的出现的次数,测速原理 如图3.9(a)所示。采用T法测量,就是在一个霍尔信号周期内,采用较高频 率的时钟计数,获得一个周期内脉冲数。本实验中电机的设定转速为750平m, 电机极对数为5,这样电机的电周期就是16ms,采用周期为20lls的时钟对霍尔 信号进行检测可以获得足够的精度。T法的测量原理如图3.9(b)所示。 眦t厂]厂]厂]厂]厂]I clock厂]n n厂1 r]n厂]r]厂]r]厂]n r]厂1厂]n厂1 n 叭l厂—]图3.9(a)M法测速原理 厂 clock『唧唧㈣㈣唧㈣眦彻舢㈣㈣lI 图3.9(b)T法测速原理 采用脉冲测速法时由于采样时刻的不同,会产生一个或是两个脉冲的误差,在 本实验中误差率为2/800,能够满足控制系统要求。在利用硬件编程语言编程实 现时,由于FPGA的晶振时钟周期是25Ils,如果直接采用这个时钟来进行脉冲 计数则太快了,20us的计数脉冲可以采用一段简单的分频程序得到。 在Modelsim中仿真分频程序,结果如图3.10所示。clk为FPGA晶振信号, 周期为25Ils,Clk2为分频后的时钟,周期为20us. 浙江^学砸±学位论文 錾十FPGA∞永鞋电机控制最统的研究 ■■卜÷——··一- 目,10舟景时钟渡彤 在FPGA中对速度模块进行综合,在lsE中查看综合报告.在表3.3中可以 看出速度检测环节占用的FPGA资褥很少. D竹i剐tlllzati州哪cv: 表3.,进度拴捌%节自用FPG^青*情R selecced Devi…x时8q00pqgz08一{ NIn№…f Sl一5: N呻…f S11ce Fli,rlop, NNlI目∞曲㈣…l±bonded Nt蛐erof 4 iⅡpuL LⅡ1§: 105: IoB5: NtmI…∞±FGHcpL№rl:opj: 速度检测模块程序编好后,编写慨tb锄ch文件。在M0delsim中仿真.按照 电机换相时序给出变化的霍尔信号,可以看出采集的速度f满足设计要求。仿真 结果如图311所示. :麓篇H j罄嚣瞄 目3lI速度掩涮模块Moddsh仿真结果 3.3环分电路实现 图2 2中开关管的状态可以和霍尔信号联合起来,采用霍尔信号来控制开关 营的导通和关断.图2 2中开关状态和霍尔信号的对应关系如表3.4所示。 矗34*关状态5蕾尔信号对应袁 置尔信号(^日c) 开是状态{霍尔信号对应表 导通**琅 这种霍尔信号与开关状态的对应关系是一种环分电路.在FPGA中可以采用一 个有限状态机实现。状态机是硬件语盲中一种对于具有逻辑顺序或时序顺序事件 的描述方式.在FPGA中使用状态机很好的实现各种状态的逻辑和时序控制. 状态机可以分为两大粪,一类是Moore型:还有一类是M%ly型.摩尔状态机 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 的输出仅仅依赖于当前状态,而与输入条件无关。米勒型状态机的输出不仅依赖 于当前状态,而且取决于该状态的输入条件。在实际编程中编程者可以根据自己 的需要,选择合适的状态机。在本实验中,开关状态可以由输入的霍尔信号唯一 控制,因此选用M00re型状态机。具体状态机的示意图如图3.12所示。 Switch State 图3.12环分电路状态机示意图 3.4基于FPGA的单台永磁无刷直流电机控制系统程序设计 在前几节的基础上,把PI调节器模块、PwM产生电路模块、速度检测模 块和环分电路等几个模块通过模块调用方式联接起来,即可实现整个无刷直流电 机的FPGA控制系统程序设计。在Ⅵ瓶log HDL中模块调用主要有两种方式。一 种是位置映射法,指严格按照模块定义的端口顺序来连接,不用注明原模块定义 时规定的端口名。另一种是信号映射法,利用“.”符号表明原模块定义时的端 口名。信号映射法将信号名和被引用端口名同时列出来,不用严格按照端口顺序, 降低了程序出错率,同时也提高了程序可读性。本文中也都采用信号映射法来调 用前几节编好的程序模块。 整个基于FPGA的永磁无刷直流电机速度闭环控制系统的程序在ISE中综 合后,在表3.4中可以看到其所占用的FPGA资源。 表3-4基于FPGA的单台无刷直流电机速度闭环系统占用的FPGA资源 D芒Vice u乞iliz皇tion su哪mary: r…………………一一 Se lected Device : 3s乓00口q2 08-哇 NuI由er O士Slice5: NuInber O士Slice Flip rlOps: Nu岫er Of嘎inpuC LUT5: Nlm幻er 0士工Os: NuInber O士bonded IOBs: 工OB Flip F工op5: Nu岫er of 13CLKs: NuIbber o士DCHs: 13嘎 129 227 76 76 14 Z l ouC O士 ouC of DuC o士 oUC Of ouC o士 oUC Of 在IsE中查看RTL级图,可以看到整个系统的设计。 3584 7168 7168 lql 8 嘎 3专 1≈ 3% 53% 2S% 25% 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 图3.13基于FPGA的无剧直流电机控制系统砌几原理固 浙江大学硕:E学位论文 基于f1PGA的永磁电机控制系统的研究 3.5基于FPGA的单台永磁无刷直流电机控制实验 在前几节的基础上,本节将对设计的控制程序进行实验验证。实验中采用的 电机参数为:额定输入母线直流电压273V,额定输出功率150W,额定DC电 流O.676A,额定转速600蛳,额定转矩O.239Nm,电枢绕组电阻18.3Q,电枢 绕组电感45.9mH,转动惯量1.89e.6K矿,机械时间常数o.343mscc,电气时间 常数2.50msec,极对数为5对。将编好的程序在)(ilill)【IsE中经过综合布局布线 映射后,生成下载文件,使用下载器将程序文件配置到FPGA中。 实验中为观测速度波形,将速度测量的数字信号利用DAc7625芯片转化成 模拟信号输出。本实验中是采用T法测速,测量的脉冲数和速度成反比,速度 越大,测量得到的脉冲数就越小;速度越小,测量得到的脉冲数就越大。脉冲数 和速度之间存在一一对应关系(在DAC输入不饱和范围内),因此实验中直接 将测量得到的脉冲数经过DAc7625输出,。作为速度参考波形是可行的。参考 DAc7625的datashe“331,其输出信号的计算方法依据以下公式: D口纫玩,Ic 2.5 ,, yDD““f f。—4丽n0面6 一 (、J3‘-.5J )7 式中 圪甜一一DAC7625输出电压值;D口砌伽一一DAC7625输入值;2.5v一一 DAc7625的参考电平。实验中将电机速度参考值设置在750呻,电机极对数是 5对。这样电机的霍尔周期就是16ms,实验中采用的速度测量脉冲周期是20lls, 这样在稳态时测量到的脉冲数是800。代入公式(3—5)计算可以得到在电机稳 态时DAc7625输出的电压值是O.488V。 由于实验室直流电源的限制,实验中输入直流电压为44V。调节PI参数, 从图3。14和图3.15中观察,电机稳态运行良好,转速稳定。为验证基于FPGA 的永磁无刷直流电机速度闭环控制系统的动态性能,本实验中采用输入电压突变 的方式进行了实验。从实验波形图3.16和图3.17可以看出,当输入电压跳变时 (从44V到50v或从50V到44V),转速波动很小,波动时间也很短,证明了 该速度闭环控制系统具有良好的动态性能。实验结果也说明了基于FPGA的永 磁无刷直流电机的设计方案是正确可行的。 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 cC舵舵:0:.蚕50:洲:/:dl:v峙 :=嵯==蓍毒薹煮翥==誊熹薰葛蓍=蠹 耋毒 誊I脚F5。0:。:№:r阳豁l,嘲一b。 CHl CH2 CH7 蠹爨 ‘‘—-I坤25k>, CH7 …… CH7 CHl 5.OW/div Dc ill BU Full !》忙 0.57佛,/div DC i;I 8埘亭00kH: C}仃 lO.0供,7div 此l:l B■nJll ( :Hl 中1 CH2 C鼬 圈3.14无刷直流电机稳态速度曲线(展开图),CHl:无刷直流电机A相霍尔信号;CH2:稳态运行时电 机转速波形;CH7:输入直流电压波形 例l s.∞wⅢ睡童兰熏熏篓羞羞弘k z怒箸11啪鼬 翳 抒兽搿 ,一;1 ‘《’hin 120k>, CH7 ….. ’1 c埘。 ’_…≥’…:.’ CHl 5.O仉,,div DC lll BU Foll 0H2 O.50讲J嘣Iv DC i:l 8"SOOkH: …脚㈣ 删m删删 ㈣㈣肿删肿 ㈣ Ⅷ删眦w CHl ….|… CI忡 l O.OOV/dlo M 111 BU ruIl ...CHl. ..—.rJ 阻一.. ● ●●●● ●●●- CH2 ~ ;雌 ; i ………i ; ; ………|¨……‘|¨……‘ ; ; ………;………i…….. i ; ; ;……。; : : 图3.15无刷直流电机空载起动时速度响应曲线,CHI:无捌直流电机A相霍尔信号;CH2:起动时电机 速度响应波形;CH7:输入直流电压波形 32 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 … C眩 竺O· .s0三0渺!d 婴 iu/ 崆!毒 !V=睦=茎 =====烹 ====烹 ==兰 =宝=茎曼|p豳。k 跫№脚r阳s.I 1∞嗍一‰。 群 磐嗖 68。0鲫 : t‘●hin,20k>> CH7 CHl s.0删/diu DC ttl 日U FolI .,’一 二 J一 CH7 CM2 O,3:趣,,dlu ∞l‘^ 弘I S00州= C}盯 I口.OW,div Dc l;t 8U Full CHl 舢脚 腓姗姗眦㈣ ㈣姗脚 舢删删㈣ 唧肼 CH2 ………;………;..一 ’..…....许7....…j......…;….....;....….. { { i ; ; ; ; ; ; ; ; ………;¨……’{¨……· ………|¨……’|¨……’;¨……‘;¨……- ; i { ; { ; : : : ………;¨……’{¨……· ………;¨……’;..……‘}¨……’;¨……· 图3.16无刷直流电机输入电压跳变时速度动态响应曲线,CHl:无刷直流电机A相霍尔信号;CH2:转 速调节波形;CH7:输入直流电压44v一50v C~毗!·e篓.驹篓删7,1d 1i”v崆眶=;巽=蓦 =茎善茎墓鉴暮 竺三 兰竺==篓薰茎煮;聿;苎;耻号D瞄。k 25.OW 落 l《潮 ‘‘thin 120k>' : 跫Hk0sr/Msl.1∞嗍一- \ ●●,●●●●r‘ 、■L ……‘‘CH7 ’‘晶。‘ …·…l…… ……≥… 删 ㈣ ㈣ CHl ……≥… 伽删 唧眦 姗胂 00唧嗍.0Ⅲ 姗舢舢肿 CHI { {…… i……( H2 : : : rH2 : : : CHl S.O“f,div DC ltl BU Full 二H2 0。癸脚/div 艇:,】 B0=00{“z C}忭 t0.00V/dIv DC lll 9p Full -●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●r●●●●●●●●●●●●t●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●-●●●●●●●●● 图3.17无刷直流电机输入电压跳变时速度动态响应曲线,CHl:无刷直流电机A相霍尔信号;CH2:转 速调节波形;CH7:输入直流电压50v一“V 33 浙旺上学颈上学位论正 摹十FPOA的求磁电机托翻系统的研究 3.6基于卯GA的多台永盛无刷直流电机控制系统程序设计 在前几节实现了基于FPGA的单台无刷直流电机的速度闭环控制系统的基 础上,本节重点介绍基于FPcIA的多台无刷直流电机控制系统的实现.多台电 机控制系统中要求各台电机之问协同工作,且互相不能干扰.实现多台电机协同 控制的方法一般有模拟控制、数模混合控制以及全数字控制。模拟控制结构简单, 成本低,但是不能实现精确控制,且各个控制系统之间的干扰也很难解决。散模 混合控制精度有所提高,但是难以实现在线实时拉{}j和复杂度较高的控制算法. 全数字控制不仅能实现在线控制和复杂的算法,而且可以实现人工智能在线故障 监剥.多台电机的数字控制控制框图如图,18所示. 邕母F r■1圈■:.二二 日318墓f FPG^的;e电机拉制系统框目 使用FPGA实现多台无刷直流电机控制系统设计具有自己独特的优势。在 传统的Mcu或是DsP中实现两台电机协同控剖时,一方面是受到芯片资源和 端口数目的限制,另一方面最主要的是在Mc鄹或DsP中实现多台电机协同控 制时必须要考虑到各台电机之问协同工作的时序问题,给设计带来很大的困难. 而在FPGA中每一个固定的功能模块都可以复制反复使用,且每个复制的模块 在FPGA中实现时都是相互独立的硬件单元,互相之间没有冲突,非常适合于 独立控制.前几节编好的PI调节器程序模块、PwM模块等等这些模块在FPGA 中实现时就相当于一块块做好的硬件电路。在多次复用时FPGA自动会在布局 布线时加上复用的电路,不会产生干扰.基于这个优点,基于FPGA的多台无 刷直流电机控制系统设计就很容易.只要将控制单台水碰无刷直流电机速度闭环 系统的几个模块再次在FPGA中调用甲可,当然PI调节器中的PI参数以及速度 给定值需要根据实际情况进行相应的调整. 新扛^学硬十学位论立 基f FPo^的永礁m帆托制幕统的研究 本文对基于FPGA的两台永磁无刷直流电机控制系统程序进行了仿真验证. 编好程序,在IsE中综合后,查看综合报告,在表3.5中可以看出,两台永磁无 刷直流电机控制系统所占用的FPGA资源差不多是一台无捌直流电机控韦9系统 占用FPGA资源的两倍,这进一步验证了模块复用是分开执行的. 采3{基干FPo~的自台^刷直流电机速度阿环控制尊境自月的FPGA膏舞 Devi…tili£北i…1m■蝌 selected D吖i…33400pq208一q Nu☆…f 3li一: NN咖啪㈣…ft i…t 5lice Flip F10p,: 4 L口T5: NtⅡ№㈣f IOs: NIⅢber。f bon弛d ZOBs: N岫㈨t GCL黯: Nt岫…f DCd5: 同时编写测试文件,在M0dd¥im中查看仿真结果.在田319中可以看出 两台永碰无刷直流电机都能很好的工作. *蔫’镱群1,5藉黼“z恭菸1。。。。}}昔赫 f 1_ ’ 可 ’Ⅷ1 n ’n‘ j_ HFll‘¨ W 、。 n… _l_l 1 … ㈨ Ⅲ洲叭__l _I口 ¨ rn __ mr MM 1丌u ¨ 1。。 ¨m :l… T晴}i“’ m 。Ⅱ Ihn -f ]邢 ㈣f珈 ∥。+”t一弘‰…””j嘶… 。“‘nI·‰” -- ”‰ %”% _,。’ .“‰ n… 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 制,实验中输入直流电压是44V。在实验中通过程序设计实现两台无刷直流电机 独立控制,一台工作在857印m,另一台工作在750rpm,都是空载运行。同3.6 节中描述的一样,采用DAc7625来观察电机速度曲线。 从实验波形图3.20和图3.2l可以看出,单片FPGA很好的实现了两台永磁 无刷直流电机速度闭环控制,且相互之间没有影响。从实验波形图3.22和图3.23 可以看出在输入电压跳变时,两台永磁无刷直流电机速度响应都很快。实验证明 了在FPGA资源足够的情况下,可以将单台电机的控制算法直接复制为多台电 机控制算法,实现起来非常方便。且多台电机的控制模块之间不存在干扰及时序 问题,这一点是McU及DsP无法比拟的。 例l s.删/div暖鋈耋耋兰兰兰羞童脚s。::黧I 9啪’ CH二Hl ·18.5叫 :.一,W 嚣 瓢馨 ‘ ‘‘—-in 125k>> : : : 卧 ¨ :;∞鲋 ‰M坩¨u ·…‘‘。‘‘’!。。…‘。一;…。‘‘’‘‘ CH7 ∞ ”姑_嚣 蠢=湖妒”娃 毗蜥 CHl: ‘。Lnl CH2 CH2 CH3 CH7 …。’l…… 嘴 w "∽鲋 %M嘣Hu ㈨ ”托张 絮踟”::札 砒№ ∞ 烈 慨∞鲋 耋::w:M:“ ….....C端...... C懈 ·CH4 …·· 图3.20无刷直流电机稳态速度曲线(展开图),CHl:无刷直流电机l的A相霍尔信号;CH2:无刷直流 电机l的稳态速度波形;cH3:无刷直流电机2的A相霍尔信号;CH4:无刷直流电机2的稳态速度波形; CH7:输入直流母线电压 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 伽l s.唰/d¨峰孽篡薰熏雾薰孽弓惭销黧11蛳粕 嚣 嚣嚣 ‘‘●hin ;20k>’ : 潞 4,0400 ’O.0口v ●●●●●●●●● ; CH7 洲 CHl |; i 咖Ⅲ删舢『Ilm唧肌 脚眦 彻『1眦邶嗍m邶『1I 『1m唧哪 c蜉 ; CH2 1 : … 州I 5.O呻/d¨ Dc l“ 日U Full C糙 O.50以l,dIu ∞ eu lS:00l桃 CIC 5.O帆,/div DC 1It 90 FuIi 0竹卑 0。S0辘,/div 》: l:i 8≈=90;№ 。……’+!…‘’’…;…‘‘’。。’i‘‘’‘…。‘ ㈣ 删 黝 ! CH3 ㈣ 谰鳓溯悯黼猢 脚傩 瑚臌 …·…-·!·········;K……·i·……·· : ; ; :e酆 ; CH4 CH7 10,e帆f dlv ∞IIi 9u Full 图3.2I无刷直流电机稳态速度曲线,cHl:无刷直流电机l的A相霍尔信号;cH2:无刷直流电机l稳态 转速波形;CH3:无刷直流电机2的A相霍尔信号;CH4:无刷直流电机2的稳态转速波形;CH7:输入 直流母线电压 删1 5.∞u/Ⅲ疃墓差差鬻熏基誊驴k诒瀚11蛳蛳 嚣 嬲娶{ ’P;4 ■,,;8u : 《‘,hin 120k>' : ………|¨……’;..……’ .cHl/’ ; ’··…··:········· ; ; ;CH7 { { { { 。圻 咖咖mfI咖咖I㈣舢嗍『1舢删嗍棚肌佃唧l肌衄『1『 CH2 i l ·········:·-·……:··……· CH3 ……≯… 腿脚 黼l删I脚猢m 脚姗嗍㈣I|黼嗍11.匝 鳓 LH_,,一 。‘。‘+‘’!‘。’‘’‘’ o* ..CH4 … 州I 5.OaU,d“, DC ltl eU Full ∽8,56∽dit· DC l:1 8辐}O钔谢: C}弭 S.0掣J/di·· DC l:i 8■rull :}H O,50mj/di,· M i:1 eW 000kH: C}仃 l 0.00v,一div oc i:1 e■full 图3.22无刷直流电机动态速度响应曲线,cHl:无刷直流电机1的A相霍尔信号;cH2:无刷直流电机l 的速度调节波形;CH3:无刷直流电机2的A相霍尔信号;CH4:无刷直流电机2的速度调节波形;CH7: 输入直流母线电压铂lV一50v 37 浙江^学碗±学位论文 摹十FPOA的康碓电机控制系统的研究 …M。EEE;;£E§目∞:慧11””。 §溺 cH7。. 叽瑚舢舢舢Ⅻ m肌衄帅 删 砌佃叽邶舢㈣100咖 CH2 CH3 肼唧哪㈣ ㈣唧删唧肼跚唧【 煳 8聊卿0姗哪瑚咖 CH4 田3 23 i刷直巍电机动鸯速度响应自鲢,cHl:i刷直漉电机1的^自重*信号.cH2:t删直流电机】 的速虞调节或彤;cH3:i扎E巍电机2的^#霍术镕号;cH4^月直魂电扎2的进度Ⅷ节玻形:cm: 输^直流母鳗电E 50v一“v 新Ⅱ^学碗士学位论文 基十FP0^的束碱电机控制秉统的研究 3 25《动功率模块宴验梗 3 26基于FPO^的月自木#t科直流自机建度目#控制杀境宴验装置目 本章介绍了实验中所使用的FPGA开发软件工具ISE,以及基于lsE进行 FPGA设计开发的流程。在此基础上详细介绍7基于FPOA的无刷直流电机的速 度闭环系统的各个环节的程序设计.最后在FPGA平台中,对单台和两台永磁 无刷直流电机进行了速度闭环控制实验.实验结果很好的验证了基于FPOA的 速度闭环系统设计的可行性. 浙江大学颟±学位论止 基fFPGA的永鞋电机拄镧最统的研究 第四章PwM调制方式对换相时母线电流影响的分析 4.1常见的PwM斩渡技术介绍… 永磁无刷直流电机的功率主电路目前主要采用三相六拍桥式逆变电路.三相 无刷直流电机的绕组通常采用1200导通方式,印每相轮流导通1200,任意时刻 只有两相绕组导通。无刷直流电机调速一般采用P、vM调制.PwM调制方式有 很多,应用在无刷直流电机调速中常见的调制方式有上下全斩、上斩下不斩、下 斩上不斩、上下轮斩、前600斩后600不靳以及前60。不靳后6护斩等.采用FPGA 芯片可以方便的实现各种PwM调制方式,各种斩渡方武在M。dels·m的仿真结 果如下. 目4l±下全斩 目4 2上轩f{轩 目4 3下靳±{轩 晰Ⅱ太学硬±学位论文 摹于FPG^的永碰电机控制系统的研究 田44前60c’斩后6驴f轩 圈4 5前60【’{轩后6矿轩 目4 6±下转斩 分析上述几种斩溲方式可以看出,上下全斩时每个斩渡周期内,两个开关管 都要动作,开关损耗}匕其他几种斩波方式都要大。其他的几种斩渡方式在一个斩 渡周期内上下管只有一个在动作,比上下全斩时损耗要小口“.一般采用上下全 斩也称为垒桥斩波,其他的几种可以称为半桥斩渡。下面分别分析不同的P、ⅣM 调制方式对母线电流的彰响. 4.2PwM调制方式对母线电流的影响 理想状态下,在不进行PwM调制时在电机换相时直流母线上不会有反向电 流流过。但在实际PwM调速运行中,由于PwM调制方式的不同,加上关断相 中绕组电流不能突变,会造成换相时产生反向直流母线电流,这种反向母线电流 除了引起电机转矩波动,还会对整个驱动系统的传导EMc性能有较大影响,必 须采取措施尽量消除。本章将详细分析栗用不同的PwM调制方武时,无刷直流 电机在换相时母线电流的情况.无刷直流电机的功率主电路如图4 7所示。图中 R“m,m分别袁示A、B、c三相定子绕组的电枢电阻;工a.厶、厶分别表示A、 B、c三相定子绕组的电感;☆、曲&分别表示A、B,c三相定子绕组上的反 电动势.三相无刷直流电机不斩溲时理想相反电势和相电流的波形如图4 8所示。 浙江大学硕士学位论文 基于FpGA的永磁电机控制系统的研究 l Sl, —工‘ J 【Dl≮3iD3掣j 上, k + 上, h: ‘i★ i掣j S4, . —.j【I J S6p一, ● J t— D6、 l 图4.7无刷直流电机功率主电路原理图 ,: / e。: 、 \ \ eb / ib: /。 \. \ ● 1C / 1a /。 \ j\ ’ec /。。 / I一 旃 //一 /。 r 缈f \ r jf\ 国j (,0 300 R00 900 12n0 1500 1R00 2100 24()0 2700 3000 3300 3600 图4.8三相无刷直流电机理想相反电势及相电流波形 4.2.1上管换相时不同的PwM调制对母线电流影响 首先分析在不同的PwM调制方式下,逆变桥上管换相时对母线电流的影响, 选定图4.8中1500一2100区间,在1500时刻A+关断,B+导通,即S1和s3换相。 (1)上下全斩调制 采用上下全斩方式调制,即1500~2lOo区间内,B+、C.都斩波。此时根据 电感电流不能突变,上管换相时逆变桥中电流流向如图所示。这种情况下在B+、 C.都关断时母线上有反向电流流过。 图4.10 B+、CI.开通 图4.Il B+、C.关断 (2)上斩下不斩调制 采用上斩下不斩方式调制,即1500一2100区间内,B+斩波,C.恒通。此时 根据电感电流不能突变,上管换相时逆变桥中电流流向如图所示。 42 浙江土学硕士学位论文 》 培十FPGA的永硅电机拉黼系统的研究 萨 目412 B+开适 目4】3 B+*《 在上图中可以看出采用这种调制方式时 在上管换相过程中母线不会产生反 向电流。 (3)上不斩下斩调制 采用上不斩下斩方式调制时,印150。一2100区间内.B十恒通,c.斩溲。此 时根据电感电流不能突变,换相时逆变桥中电流漉向如图所示.这时在c_关断 时母线上有反向电流流过。 匿挚l障萼 目414 c-开通 口415 o关断 (4)前600斩后600不斩调制 采用前600斩后600不斩方式调制时,即1500一2100区问内,B+斩波,c, 恒通。此时根据电感电流不能突变,换相时逆变桥中电流流向与上斩下不斩调制 方式相同,上管换耜时电枢回路没有反向电流流过. (5)前600不斩后600斩调制 采用前600斩后600不斩方式调制时,即1500~2100区问内,B+恒通,c一 斩波.此时根据电感电流不能突变,逆变桥中电流流向与上不斩下斩调制方式相 同,上管挟相时电枢回路有反向电流漉过. (6)上下轮斩调制 上下轮斩调制方式,即在连续的四个周期内,两个周期上桥斩波,下桥不斩 波.另外两个周期上桥不斩渡,下桥斩波.这种调制方式实际上是将上下桥斩渡 分开进行,是上斩下不斩和上不斩下斩的混合,在挟相期问会希反向的电枢电流 淅Ⅱ上学《±学位论i 基f FPGA的柬碰’n帆掩制系统的研究 流过. 4 2 2下替换相时不同的PwM调制对母线电流影响 分析下管换相,选定圈4 8中900~1500区间,在900时刻B.关断,c.导通, 印s6关断,s2导适. (I)上下全斩调制 采用上下全斩调制时,印900—1500区间内,A+、c.都斩波。此时根据电感 电流不能突变,下营换相时逆变桥中电流流向如图所示。这时在换相时有反向电 流流过母线。 目416斛o*Ⅲ 日417 A+、c-关断 2)上斩下不斩调制 呆用上斩下不斩方武调制时,印900一15妒区间内,A+斩渡,c.恒通。此时 根据电感电流不能突变,下管换相时逆变桥中电流流向如图所示.这时电枢中有 反向电流流过。 田418^+开遥 目419^+关断 (3)上不斩下斩 采用上不斩下斩方式调制,即900一1500区间内,A+恒通,c.斩渡.此时根 据电感电流不能突变,下营换相时逆变桥中电流流向如图所示。这时母线中没有 反向电流漉过. 浙江^学《t学位论文 基十FPGA的水砒咆机控制系统的研究 t告终 日4∞c一*逼 目40l c-关断 (4)前600斩后600不斩调制 采用前600斩后600不斩方式调制时,即9妒一1500区闻内,A+恒通,c.斩 波.此时根据电感电流不能突变.下营换相时逆变桥中电流流向与上不斩下斩调 制方式相同,换相时母线中没有反向电漉漉过. (5)前600不斩后600斩调制 采用前600不斩后600斩方武调制时,印900—1500区间内,A+斩波,c一恒 通。此时根据电感电流不能突变,下管换相时逆变轿中电流流向与上斩下不斩调 制方式相同,换相时电枢回路有反向电流流过. (6)上下轮斩调制 上下转斩同前面介绍的上管换相时相同,采用这种方式在下管换相时有反向 电流流过母线。 将上述几种斩渡方式在上、下管换向时母线反向电流情况列成表格 袁4·I f目斩最方武在上下f换自H母线履目电巍情E丧 \斩渡方武 上下 \\ 全斩 上斩下 不斩 上不斩 下斩 前60度 斩后60 度不斩 前60度 不斩后 60度斩 上下 轮斩 上管换向时母线是 否有反向电流流过 是 否 是 否 是 是 下管换向时母线是 否有反向电流流过 是 是 否 否 是 是 由上面分析可咀得出,在文申所列出的六种调制方式中只有前6扩斩后600 不斩调制时在电机换相时母线中没有反向电流流过,这时引起的电机转矩脉动也 会较小.且这种反向电流与占空比有关,当占空比越大时,反向电流也就越大【圳。 本文在实验中对六种调制方式都进行了试验,借助FPGA实验平台对文中分析进 行了验证. 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 · 4.3不同的PⅥM调制换相时对电机母线电流影响的实验 在理论分析的基础上,基于FPGA平台对上述几种Pw‘M调制方式进行了实 验研究。电机参数与第三章介绍的相同,输入电压固定在44V。从理论上分析, 采用前600斩后600不斩调制时,电机换相时母线上没有反向电流流过。从实验 波形图4.29和图4.30可以看出,换相时有很小的反向电流,这是由于实验中所 使用的电机的霍尔传感器位置安放存在误差。在图4.22中可以看出,在不斩波 时电机的端电压上升存在滞后,这就说明了霍尔位置安放存在误差。这种误差就 使得换相时开通相不能及时开通或关断相不能及时关断,这也就导致了实验中在 前600斩后600不斩调制时电机母线中还是有很小的反向电流。如果霍尔位置安 放非常准确或是采用无位置控制技术,在图4。29和图4.30中是不会出现反向电 流的。另外在20%占空比PⅥM调制时电机母线上流过的反向电流明显小于80% 占空比PwM调制时的反向电流。实验结果证明了理论分析的正确性。 伽l s.剃,dlv壤薰薰冀兰熏薰塞霸m 拍怒:l嘲‰ 累! };7% 黼 l粕:葫 ‘‘—Air口lOk'> 眦 V 吼吣附 未二M P。 CHl ∽ ” 乳姑脚 繁M ∥; 罗‘ ∞ v ……;’I…‘‘ ……i| ;. …l…‘!…’’{. I; H2 : CH2 ; ‘r… 外∽鲥 絮M ∥: 哺 .1 {=∞附 洲¨M ∥, …1../ -一K 一澎::::≥小 K ∥ _一.··· ; ……|….I.. ●●●●。‘●●● .铭。 斟 ……≥… ●●●●●●●●● 蕊j 硼 ……≥… 燧 ……■… 瓷…..i…r.. :惰…一:.!.1...。,. : o 图4.22上下都不斩时无刷直流电机端电压和相电流波形,cHl:下管PwM信号:CH2:上管PwM信号; cH3:无刷直流电机端电压波形;CH5:相电流波形 浙E大学碰十学位沧立 目4∞上下空斩调制20%^空比时t剥直施自机蜻电压和4&电藏t形.c川下管PwM镕号.cH2: 上蕾PwM信号.cH3^月直流电机墙电Ⅱ泣形,cH5:母§自溘 嘶 ∞娜d¨专著暑兰三兰i三国-n鼍豁l蜥 目4M上下全斩谢制舯%自空比时无捌直施电机墙电压自母蛙电流最形.c川:下警PwM信号.cH2: 上瞥PwM信号.cH,无刷直渣电机墙电E进形;cH5:母墁电澶 浙江人学硕±}&论女 ∞*¨m《;;;EE目-*1嚆鬻I 1” +’ ‘5。i— C川 L 一■ 一 。“3 _ 留4 25上轩下不斩调制20%自空比时t刷直漉自机端电压和母缦电漶波形,cHI:下首PwM信号: cH2:i管PwM口号.cH3£捌直流电机靖电E*形:cH5 e&电流 …㈣《££=E}》 淼l“ 田4 26上轩下不斩调制80%自空比时t剃直瘫电机端电压和母§电流波形.cⅢ:下管PwM信号;cH2: 上蕾PwM信号:c.i3:无科直流电机墙电Ⅱ涟形:cH5:母‰电冼 一, 新Ⅱ^学幔+掌位论文 J———— h CH3 - 一- . .—J cIf5.一一 一 目427上年轩下斩调制撕5空比时i刷直流电机墙电压和母&电漉蘸形,cHl:下蕾PwM信号, cH2:上管PwM口号.cH3 t捌直漉电机酱电&最弗:cH5母缦自施 %…,dl。e§E=£iEE目-*se:黧l” 目428 上{斩T斩调制80%自空比时i刷直洗电机端电Ⅱ自母境电流波形,c川ff PwM信号 cH2上管PwM信号,cH3£刷直藏电机靖电Ⅱ踺形;cH5:母%电流 淅Ⅱ^学颈±学位论文 目4 29酋甜斩目柏oT斩Ⅷ制2∞‘^空比时Z捌直流电机蜡电压和母巍电流溲彤.c川·下量PwM 啻}:cH2±蕾PwM信号.cH3:t斟直流电机靖电压敢彤,cH5:母§电流 一黼 ~㈣㈣呲硎 一I梦。藤嘲揣丽肝砷 田4 30前6妒斩目卯。{斩调制帅%自空比时£刷直流电机墙电&和母缦电流敲彤,cHI下管PwM 信号,cH2:±管PwM信号:cH3芜鄹直巍电机碧电压破形:cH5:{毁电流 浙Ⅱ太学碰t学址论文 目43l前6护不斩后和。斩调制2咻自空比时i刷直巍电机靖电Ⅱ和母墁电流艘彤,cHl:f蕾PwM 信号:c}12:上管PwM信号,a{3:£斟直流电机i自&《彤:cH5母鳗电辘 目4 32前6驴f轩后6酽斩调制80%自空比时无剽直漉电机墙电压和母墁自施政彤,cHI:下瞥PwM 啻}:c|12:上管PwM信哥:cH3^w直泣电机墙电压波形.cHs母线电洗 浙扛人学硕±学位论文 目4”上下靶斩调制20%自空七时王刷直流电机嫱电Ⅱ和母蠛电流被形,cHI:f管PwM口号:cH2 上蕾PwM信号.cH,:t刷直漶电机端自&甚彤.cH5母线电流 田4 34上下转斩调翻80%自空比肘i刷直流电机蜡电Ⅱ#4鳗自施洗移,cHl T蕾PwM信号,cH2 上f pwM信号.cH3:£刷直藏电机蜡电Ⅱ最彤,cHs母瘦电施 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的水磁电机控制系统的研究 本章首先介绍了无刷直流电机调速常见的几种PwM调制方式,并在ISE中 编程进行了实现和仿真。接着详细分析了在每种PwM调制方式下,电机换相时 对无刷直流电机母线电流的影响。指出了采用前600斩波后600不斩PwM方式 调制时,在电机换相时电机母线中没有反向电流流过,这种PWM模式下电机的 换相转矩脉动较小。最后在FPGA平台中对各种调制方式进行了实验,论证了 分析结论的正确性。 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的水磁电机控制系统的研究 第五章永磁同步电机矢量控制的XSdSimulink混合仿真 永磁同步电机(PMsM)是永磁电机一种,其反电动势波形一般设计为正弦 波,供电电流波形也为正弦波。PMsM具有结构简单、体积小、重量轻、效率 高,转子无发热问题,过载能力较大等优点。基于这些优点,PMsM得到了广 泛的应用。 xSG()(ilill)【svst锄Gen咖)是Xilill)【公司提供的一种系统级建模工具, 是一种全新的FPGA设计方法。用户在设计时直接调用xsG模块,就可以进行 FPGA系统设计。这种设计具有图形化,模块化的优点。xsG提供了SiIImliIll( 接口,在SiInulilll【中可以联合XsG混合仿真。这种仿真不同于通常的simulilll【 仿真,xsG构建的仿真系统可以直接自动生成相应的硬件编程语言代码,这些 代码经过综合实现后就可以下载到FPGA中运行,大大简化了设计过程,缩短 了设计时间。 本章在介绍PMsM矢量控制的基础上,重点介绍在xsG/SiInuliIlk中如何实 现PMsM的矢量控制算法。 5.1永磁同步电机的矢量控制原理【38】【41】【43】 电机调速中电磁转矩是一个关键量,对于PMsM,转矩是影响电机转速的唯 一量。准确的控制电机转矩就可以使电机动态响应很快,并且在有扰动时能快速 恢复。矢量控制理论就是基于这个原理,通过对定子电流的控制,来实现对电机 转矩的控制。在电机定子侧各个物理量都是交流量,其对应的空间矢量在空间以 同步速在旋转。这给计算和控制电机转矩都带来很大困难。针对这个问题很多学 者进行了研究,提出了坐标变换的方法,即将定子各个量的计算都转化为静止的 量,这样就能很方便的对定子各个物理量进行计算了. 矢量控制方法在不同的场合下,可以选择不同的磁场矢量作为定向的坐标轴, 主要有四种:转子磁链定向、定子磁链定向、气隙磁链定向和阻尼磁链定向。其 中第一种和第三种比较常用。在永磁同步电机中,转子磁链近似恒定,故采用转 子磁链定向的方法比较简单。根据永磁同步电机的不同应用场合,可以采用不同 的电流矢量控制策略。常用的控制策略有:‘=O控制、C0s缈=1控制、最大转 矩控制、恒磁链控制、弱磁控制等等。在低于基速恒转矩运行时,一般采用‘=O 浙江大学硕士学位论文 基于FPO^的永斑电机控制系统的研究 控制,即将定子电流空问矢量完全控制在口轴.在这种情况下电磁转矩的表达式 为 ‘专m专竹‘ m¨ 式中 C一一电磁转矩:p一一电机极对数;r,一一永磁磁极与定子绕组交 链的最大磁链;f。一一定子g轴电流分量;‘一一定子电流.此时∥,基本为恒 定值,只需控制定子g轴电流‘即可控制电机转矩,实现了电流和磁链的解耦。 矢量控制原理的框图如图5 l所示。 气':≯。:凋 ““4j_“吣u,B“”啊■ 邮- ‘c 岫0 地㈨ 。㈨删 ∞蚶 。删㈨ r、L 1、_一 目5 l PMsM失t&目原理框目 5.2)(王unx xsG介绍删圳 xsG是Ⅺlinx公司提供的一种系统级建横工具。它极大的拓展了MATLAB 中的建模工具s.皿lllink基于硬件建模的功能,提供了适合于硬件设计的数字信 号处理(DSP)功能。xsG提供的是系统级设计能力,在xsG中搭建出来的模 块可以直接生成相应的硬件语言代码,在IsE中编译后可以直接下载到FPGA 芯片中。xsG提供了田形他的款、硬件设计一体化设计方法,对于设计者更加 直观.现在基于xsG的FPGA设计方法越来越受到设计者欢迎. FPGA不仅在逻辑运算处理方面优势明显,在散字信号处理方面也发挥着 55 浙江太学颈七学位论史 摹f FPG^的m碓电帆控制系统的研究 越来越重要的作用。数字信号处理时涉及到很多的算法,如:傅立叶变换、数字 滤波墨等等.这些在传统的设计中,设计者大多采用c语言或是MATLAB实现. 设计者认为硬件描逑语言不善于做这些运算.基于这些考虑,Ⅺlinx公司开发出 s”t锄D商口for DsP,在simlllink中嵌入FPGA设计软件.xsG具有丰富的 DsP模块,包含了信号处理,算法、存储器、信号纠错毗及逻辑功能模块,方 便用户快速掬建和调试高性能DsP系统.借助这些工具包,可以方便设计者进 行数字信号赴理.xsG最大的优势就是将FPGA设计和slmull缺建模和仿真联 系起来,用户无需熟悉数字开发系统,只要熟悉slmⅢItllc操作即可很快在xsG 中设计FPGA程序,并可在si舢link中查看仿真结果.xsG的作用就相当于一 个桥粱,将MAl’LAB和lsE联接起来了.图5 2所示为一个xs0自带的示例程 序示意图. 囊:一, 0’‘二 .·1 r’.…:.。‘ j j qo r · J1 ,,- ·3…1 o h二]x Dem011str曲÷n 0f~D…卅De。ta S㈦ma D胆 C0n、/e『sl。l、 1|嫌 L——.二——一一 雌 自肿㈣ ‘j篓豢.E.’。l蓁毫』划 【n h。n1。rj’【。o_ …“ …J 1__·___-_‘一 目5 2 xsOi《t计}意目 xsG设计流程通常可以分为以下四步: 《1)使用数学术语来描述算法; (2)在xsG中实现算法,在simulink中一般是采用double型数据进行计 算; 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 (3)将double型数据转化为定点型数据; (4)最后将整个系统生成HDL代码。 本文结合xsG和simuliIll【,建立PMsM的矢量控制系统,在sinmlilll【中仿 真,验证设计的正确性. 5.3在xsG/simulink中建立PMsM的矢量控制系统 PMSM矢量控制系统,主要由这几部分组成:SvPWM(SpaCe Vector PWM), P破变换和Park逆变换以及PI调节器。本文将详细逐个介绍每个部分在 xsG/simulink中的设计。 5.3.1 xsG中SvPwM的设计mJ【45】洳】【47】(48】【49】 在现代控制理论中,SVPwM控制策略被广泛使用。SvPwM控制策略不仅 可以减小电磁脉动和电流纹波,还可以提高电压利用率,增大电机转矩输出。 sVPWM是从电机角度出发,目标是使电机获得恒定的圆形磁场。通过合理的改 变逆变器的开关组合,在电机气隙机中模拟三相正弦波供电时交流电动机的圆形 磁场,使电机运行特性得到改善。虽然xsG提供了很多算法实现的模块,但是 在应用到电机控制时,有些算法还不能直接实现。)(ilill)【公司推出了Mcode文件, 用户可以在MATLAB中编写M文件,加入到xSG中就可以使用了。具体的实 现方法将在后文详细介绍。 L 【∥乏j 7dc±,一 一、 ≮1 ‘一j ‘、。 r I 汕/j 7 l -s3一j ‘]\。 卜 l 『 I r 。S2∥. 卜 I 图5-3 电压源型逆变器基本结构 图5.3所示为电压源型逆变器的基本结构,sl,s2,s3,s4,s5,s6为六 个开关管。由于上桥臂的开关管必须与下桥臂的开关状态互补(否则就会造成短 路事故发生),因此可以用上桥臂的开关管状态来表示逆变器的工作状态。当开 关导通时记为“1”,开关关断时记为“O一。三个上桥臂的不同开关状态组合可以 用矢量分别表示为:【O,O,0】,【O,O,1】,【o,1,0】,[O,1,l】,【1,O,o】, 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 [1,0,1】,【1,1,0】,[1,1,1】。开关状态和逆变器输出电压的对应关系如表 5.1所示,将各个开关矢量对应的电压矢量分别记为:Vo(oOo),V1(001), V2(010),V3(011),V4(100),V5(101),V6(1lO),V7(111)。SVPWM 就是通过这八个电压空间矢量的合成空间矢量来是实现电机空间矢量为近似圆 形。在空间画出电压矢量变化图,如图5.4所示。 图5.4电压矢量图 表5.1 开关状态矢量和电压矢量对应表 S1 S3 S5 V舯 VbII V∞ O O O O O O Vo 0 O l -l/3Vdc .1/3Vdc 2/3Vdc Vl 0 1 O —l/3V(1c 2/3Vdc .1/3Vdc V2 O l 1 .2/3Vdc l/3Vdc I/3Vdc V3 l O O 2/3Vdc .1/3Vdc .1/3Vdc % l O l l/3Vdc .2/3Vdc l/3Vdc v5 l l O l/3Vdc l/3Vdc .2/3Vdc V6 l l l 0 O O V7 5.3.1.1扇区判断 在时间计算中一般是采用图5.4中相邻的两相电压矢量和零矢量(vo,v7), 来产生合成矢量。为计算出合成电压矢量,首先必须计算出采用哪两个相邻的电 压矢量来合成,这就是扇区判断。扇区判断的方法很多,为方便运算首先利用 clark变换将三相旋转电压转换到静止的两相静止坐标系中. 浙Ⅱ^学砸士学位论文 基十FPG^的永碓电目l挣胡系绕舶研究 2 1 l 卧3 3 3 o ~占 一占 S之) √3 √3 在x8G中实现cIark算法,如果直接使用硬件秉法器,则需要五个乘法器, 造成很大的浪费。观察这些算式可以发现,这些被秉数是常数的简单乘法可以采 用加法和移位实现。如:2,3。l,2+l,8+1/32=0 65625,这样扔‰就可以表 示成:0,2+1,8+l,32)吃,直接采用加法和移位就可以实现幕法了.其他的几 个乘法可以采用同样的方法去处理,这里不再摹述.本文采用分析k和%的关 系来判断扇区. (1)计算n,坨,乃 yl_% 隆孚一孚 旧,, P3:一业一生 2 2 (2)计算出A,B,c 若n>0,则A-l,否则A=o; 若圯>o,则B=1,否则B;0; 者均>O,则c=I,否则c=o。 (3)角区由公式Ⅳ=4×20+B×2’+C×22得出.每个扇区所在的 位置如图54中所示。 崩区计算程序在xsO,SimuliIllc中仿真,在图5 5中可以看出设计正确。 0 01 0∞5 0脏 0 0巧 003 田5 5扇区计算横块佑真结果 5 3.1 2相邻两相电压矢量作用时间计算 以III扇区为倒,为计算出合成的空间矢量,必须要知道电压矢量v4(011) 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 和电压矢量V6(1lo)分别的作用时间。本文采用文献[43仲的方法来计算相邻两 相电压矢量的作用时间。在图5.6中,首先将圪和%变换到相邻的两相电压矢 量构成的600坐标系中可以得到: 圪=%l+%2 cos 600 %=%2 cos 30。 · ‘54’ 晰 坛肠(100) 图5.6坐标变换示意图 从式(5-4)中可以解得: k圪一告 %2=志。 ∞。5’ 此时得到的电压矢量翰胡,玢啦已经变换到V4(011)和V6(110)电压矢量组 . 成的坐标系中了,这时计算就变成了标量计算。 %,Z=■正 %2Z=圪正 ‘5-6’ 将式(5.6)代入式(5.5)可以得蛰1. 1 卧 o 一生 3 丛 甜杰 3 3 ㈦7, 按照上述方法可以求出在其他扇区时,相邻两相电压矢量的作用时间表达 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 式: 陆M;盼盘 ㈤8, 3 式中 脱一一表示f扇区的系数矩阵,根据计算分别如下: l O 笪3堕压3In压|n 压 一. l—— 3 压 .l—— 3 o堑 3 一l ~巫 3 o一坐 3 一l 巫 3 一l 一鱼 3 l 一鱼 3 1 鱼 3 o一堑 3 在FPGA中实现式(5.8)时,简单的系数矩阵运算时可以采用前面介绍的加 法和移位运算来实现,但是后面还有一个系数,这个系数和矩阵的乘法就需要使 用硬件乘法器来实现了。 根据式(5—8)计算出来的矢量作用时间,有可能出现互+互+。>正,这时需 要进行饱和计算。常规的饱和计算方法是在饱和时,Z的值重新设置为 z=蔫一l的值设置概-=格·这种处理方法在实现时需要两个 硬件乘法器和两个除法运算,这在FPGA中实现起来很耗资源。为简化运算, 在不影响电机运行的情况下可以在互<正时,直接将饱和的Z不变,而将 I+。=t一乃。从仿真结果上看这样处理会使得电压矢量的轨迹发生一点偏移, 但是对电机的性能影响很小。 5.3.1.3三相开关时间计算 在计算出扇区和相邻电压矢量作用的时间后,还需要求出每相的开关时间和 扇区的对应关系。为方便说明,首先定义L,瓦,乏分别用来表示在不同扇区 三相开关管s1,s3,S5的开通时间 6l 浙江大学硕士学位论文 乞=半基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 乃=疋+手 (5-9, 疋=瓦+孚 式中 互,互+。一一式(5—8)中计算出来的时间;Z一一采样周期。式(5—9) 中涉及到除法运算,但是除数是2或4,在FPGA中可以使用移位来代替。以III 扇区为例,逆变器三相开关的导通时序如图5.7所示。其余扇区的开关开通时间 可以类似推出。 .. 墨——。 三簦一_L—“ BLo—_J c禹了才爿乃b对瓦靠 图5.7 IH扇区逆交器三相开关导通时序图 表5.2 三相开关导通时间和扇区对应表 \厢区号 \ I 开关相\\ \ II III IV V VI 一 瓦 L 疋 疋 乃 瓦 B 疋 乏 瓦 瓦 瓦 乃 C 疋 瓦 £ L 瓦 瓦 三相开关导通时间和扇区的对应关系在XsG中实现时可以采用状态机实 现,在扇区变化时可以快速反应。整个扇区计算和开关导通时间计算在xsG中 实现如图5.8所示。 浙江大学硕十学位论文 基于FPGA的水磁电机控制系统的研究 图5.8扇区计算和开关时间计算XsG实现 5.3.1.4 PwM模块设计 PwM模块的原理在第三章已经介绍了,在这里不再累述。直接利用xSG中 的计数和其他的基本模块即可实现PwM环节。整个PwM模块在xsG中设计 如图5.9所示。 图5.9 PwM模块xSG设计 浙江★学硕±学位论文 基于FPG^的柬磁电机控制系统的研究 目510 PwM摸蛾仿真渡彤目 将上面几十环节联合起来即可实现s、,PwM模块。 目5lI在xsG十t计的svPwM楗蜓 5 3 2xsG中Pafk变换和Park逆变换的设计 在PMsM的矢量控制中将两相静止坐标系变换成两相同步旋转坐标系的方 法称为国日/由变换,又称为Parl[变换。印坐标系为静止的,由坐标系为以角速 度m1旋转的坐标系.在囹5.12中表示出两种坐标系关系. 溶 :× t 围512印坐标}与幽坐标;关系 “ 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 [::]=E口珈] ㈦… 在FPGA中实现式(5.10)时需要进行正弦和余弦计算,常见的实现方法是 弦和余弦计算的coRDIC(C00rdinate R0tation Di西tal Colnputer)算法口核。本 文就采用coRDIC口核实现Padk变换和P被逆变换。 coRDIc算法又名坐标旋转数字算法,是J.V0ider等人于1959年首次提出 来的一种数字算法.colmIc算法主要用于计算三角函数、指数函数、双曲线 函数等。该算法的实质是使用加法和移位运算代替了矢量旋转中乘法的运算,在 计算矢量的旋转和定向的运算中使用非常方便。coRDIc算法【56】【57】【59】【删介绍如 矢量(Ⅺ,Yf)在坐标系中旋转口度得到矢量(Ⅺ,Ⅺ),旋转后的矢量(Ⅺ, V)可以用旋转前的矢量表示为 阱瞄剖剐 (5.11) 旋转的角度9可以使用迭代的方法,采用很多次旋转累加得到, 每次旋转一 个很小的角度。每次旋转角度很小时旋转公式(5.11)变为 酬2甚剖剐 浙江大学硕士学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 =cos见[:觚幺一taI:幺][主”] c5一·2, 式中统毡删柚(古).且塾吃矾耻{-1.·)’即所有迭代角度之 \二/ 一=O L J 和等于秒,每次旋转的方向由岛决定,品为.1时为反向旋转,岛为1时为正向 旋转。当迭代次数增加时cos见将收敛为一个常数七 后=垂cos(删孤( 赤 拈兀cosl删孤I 一=O \ \ II ●一r n¨∥ Ⅳ兀栅 结合式(5.11)、(5.12)、(5.13)可以得到 (5.13) 酬…也一。 瓯1 斟 (5.14) L J 经过Ⅳ次迭代后矢量 以 利为 泓慝 V卜 驯前脚,Tl曲 耙L=F泌y 剀 扩 玎 ● 1● ● ●J (5.15) 尼的值与迭代次数Ⅳ有关。每次旋转的角度Z。 = 口 一 “∑脚 S 只 式中品为乙 的符号,当乙大于零时S为1;当乙小于零时最为.1.从式(5.15)中可以看 出CORDIc算法将正余弦运算转化为加法和移位运算。 在xSG中使用COlmIC m核仿真结果如图5.14所示。 浙扛大学碗I学位论女 基于FPG^的永磁电机控制系缝的研究 d01 0口” 0Ⅱ a瞄 0∞ 嘶口∞ n嘶。∞ a口∞ 目514 c0RDIc算浩仿真渡形田 5.3 3xsG中PI调节器的设计 PI调节器的设计原理在第三章中已经进行了介绍,在这里仍然使用增量式 PI调节器,具体的设计不再介绍,直接利用xsG中的功能模块实现PI调节器 如图515所示. 圆5 15 xsdsimⅡllnk十Pl调节鲁的设计 xsO工具包模块和simuliIll£模块之间的连接使用xsG工具包中的G砒eway ln和G砒cwayout模块。Gate”ayIn模块自动将MATLAB中的doubk型数据转 换为定点数。GaIcwayout可以自动将xsG中的定点数转换为double型数据。 ,叵二] )[卫 田5 16 xsG与simuli“±阿的连接模块 浙江大学颈±学位论文 基于FP6A的柬磁电机控制系统的研究 将上述几个环节的模块按照PMsM矢量控制的原理连接起来,在仿真中本文使 用simuliIlk自带的PMsM电机模型。整个PMsM的xsG,simmink仿真系统如 一掣一整里 壅一 ;蔓_二=翱 图517所示。 ≮蓍罡归壁 E回 圜 r冀h ● 塾 口 乍~ 熙 橱 目517 PMsM矢量控制的xsdsl舢1jllk钔}§统 5.4仿真结果 在XsG,s珊ullIllc中建立PMsM的矢量控制系统,电机模型参数为:定子绕 组电阻R=2 8758,Ld=8 5 x1023H,Lq=8.5 x1023H,J=0、8×1023Kgm2,极 对数P=4.电机额定速度为70听/min,启动时电机转矩为3NM,在O 04s时跳 变为1NM。采用‘;O控制。设定速度给定值,调节PI控制器参数,在slmuIIIll( 中观察仿真结果。从仿真结果可以看出在xsG,simuliIlk中建立的PMsM矢量控 制系统具有良好的稳态性能,在负载跳变时速度响应很快。 基于卯OA的永硅电机控制系统的研究 斯Ⅱ大学硕士#位论文 錾fFPGA的永礁电机拉制系统的研究 田5 20 PMsM自#转炬∞缦目 目s 2I PMsM定子电巍☆缦田 浙江大学硕:上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 第六章总结与展望 6.1总结 永磁电机控制系统在家用电器、工业驱动,国防军工等领域得到了广泛的应 用。根据电机反电动势波形和供电电流波形的不同,可以分为方波形永磁无刷直 流电动机和正弦波形永磁同步电动机两大类。这两类电机的控制系统一般采用 MCU或是DSP,通过软件编程实现全数字控制。而FPGA在通信、芯片制造业 等领域的应用也相当广泛。将FPGA技术与电机控制技术相结合,是生产下一代 全数字电机专业控制芯片的必然趋势。作为一种新的应用方向,本文对基于 FPGA的两类永磁电机控制技术进行了深入的研究,主要研究工作总结如下: 1)在FPGA芯片上实现了永磁无刷直流电机的速度闭环控制。详细介绍了 使用硬件编程语言进行FPGA设计的流程及相关设计软件和仿真软件的使用。对 基于FPGA的永磁无刷直流电机速度闭环控制系统设计的关键部分进行了详细 的说明,并将尽可能多的系统硬件使用FPGA实现,简化了外围硬件电路。通过 实验对基于FPGA的永磁无刷直流电机控制系统进行了验证。 2)在一块FPGA芯片上实现了多台永磁无刷直流电机的速度闭环控制系统。 在实现了一台基于FPGA的永磁无刷直流电机速度闭环控制的基础上,采用程序 复用的方法,快捷地实现了基于FPGA的两台永磁无刷直流电机的控制。使用 FPGA实现多台电机协同控制最大的优势就是FPGA的程序可以复用,这种复用 可以看成是FpGA内部硬件电路的直接复制。还有一点优势就是FPGA实现每 台电机控制的程序都是独立运行,不存在相互之间的时序问题。这两点决定了使 用FPGA实现多台电机协同控制具有Mcu和DsP无法比拟的优势。这两点在 本文中通过仿真和实验都进行了验证。 3)分析了各种不同的PwM调制方式对母线电流的影响,指出了采用前 600斩波后600不斩方式调制时,在换相时电机母线中不会有反向电流流过。在 FPGA平台中方便的实现了不同的PwM调制方式,对理论分析进行了实验验证。 4)结合)(ilill】【公司提供的XSG软件和Matlab的Simulilll【工具实现了PMsM 的矢量控制系统的算法,并进行了仿真。详细介绍了矢量控制中各个环节在xsG 中的设计,包括sVPwM的原理和编程方法,Pad(变换和Park逆变换的设计等 等。在xsG中建立的仿真系统区别于一般的simulillk仿真系统,这种由xsG 7l 浙江大学硕上学位论文 基于FPGA的永磁电机控制系统的研究 建立的仿真系统可以直接生成相应的硬件编程语言,经过IsE综合映射后可以下 载到FPGA中实现。这种基于XSG的FPGA设计方法具有图形化、模块化的优 点,大大缩短了开发设计时间。 6.2展望 本文实现了基于FPGA的多台永磁无刷直流电机的速度闭环控制和 XSG/simuliIll【中PMsM的矢量控制系统算法的实现和仿真。由于时间关系,笔 者认为以下内容可以作为后续研究: (1)基于FPGA的多台永磁无刷直流电机速度、电流双闭环控制系统。电 流闭环需要AD采样模块,在FPGA中没有集成AD功能,用户需要外加AD转 换芯片,自己设计AD采样程序。本文只是实现了简单的PI控制算法,还可以 在FPGA中实现其他的智能控制算法,如:模糊控制、前馈控制等,改善无刷直 流电机的速度响应。 (2)本文在xsG/silnulink中实现了PMsM的矢量控制算法,并进行了仿 真分析。由xSG构建的算法可以直接生成HDL代码下载到FPGA中运行,但 是生成的HDL代码消耗的FPGA资源较多,实际运行时还需进一步优化。同时 在实际实验中,速度采集、永磁同步电机起始位置的估算等等都是需要考虑的。 (3)一些高性能的FPGA由于其价格相对还是较高,在电机控制中使用还 是难取代传统的MCU或DsP,如何在提高电机性能同时更好的降低控制系统的 成本值得深入研究。 (4)FPGA在通信方面能力很强,可以基于本文的永磁无刷直流电机控制 系统设计出人机对话的界面,在多台电机控制时方便用户独立控制。 浙江大学硕士学位论文 基于即GA的永磁电机控制系统的研究 参考文献 【l】唐任远等.现代永磁电机理论与设计【M】.北京:机械工业出版社,1997.12. 【2】辜承林,陈乔夫,熊永前.电机学【M】.武汉:华中科技大学出版社,2001.2. 【3】贺益康,潘再平.电力电子技术【M】.北京:科学出版社,2004.4. 【4】丁道宏.电力电子技术【M].航空工业出版社,1992 【5】李序葆,赵永健.电力电子器件及其应用[M】.机械工业出版社,1996 [6】张深.直流无刷电动机原理及应用【M】.机械工业出版社,1995 【7】陈坚.交流电机数学模型及调速系统[M】.北京:国防工业出版社,1989 【8】田耕,徐文波.Xilinx FPGA开发实用教程.北京:清华大学出版社,2008.11. 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