基于fpga的永磁同步電機矢量控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于FPGA的永磁同步電機控制裝置及方法，所述裝置的控制端由FPGA構(gòu)成的主控制電路板和采集電路構(gòu)成，其中FPGA包括AD控制模塊、clark模塊、正余弦計算模塊、Park模塊、反Park模塊、PI調(diào)節(jié)器、SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊和轉(zhuǎn)子信息采集模塊和時鐘控制模塊；采集電路包括SVPWM輸出的隔離電路和采集電路，其中采集電路又包括編碼器調(diào)理電路和定子電流采集電路。該裝置及方法利用FPGA的豐富可編程邏輯資源和并行處理的方式大大提高了矢量控制算法的處理速度，能夠適用于各種電機控制的需求。
【專利說明】基于FPGA的永磁同步電機矢量控制裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種永磁同步電機矢量控制的方法及裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機具有快速定位和較強的精確度，已成為許多控制領(lǐng)域當中不可缺少 的執(zhí)行元件，如CNC加工機床、機器人系統(tǒng)和半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的迅 速發(fā)展，各種性能優(yōu)良的設(shè)計芯片不斷被研制出，這類芯片具有可編程式的功能，通過在PC 端的設(shè)計和規(guī)劃以滿足各種需求，以此來提升性能。高容量、高性能和更廉價的現(xiàn)場可編程 邏輯元件（FPGA)芯片不斷推出，使得FPGA的應(yīng)用逐漸受到重視。利用FPGA芯片來實現(xiàn)交 流電機的伺服系統(tǒng)的優(yōu)點，是以純硬件邏輯單元形式實現(xiàn)功能，具有可編程和并行的處理 方式。
[0003] 由于FPGA的快速發(fā)展，使得以前無法在單一芯片中實現(xiàn)復(fù)雜算法現(xiàn)都可以慢慢 實現(xiàn)，全數(shù)字化系統(tǒng)是一種發(fā)展趨勢，因其數(shù)字系統(tǒng)有低成本、體積小、不易受環(huán)境影響、不 易受環(huán)境影響，不易受通信干擾和可編程等優(yōu)點。將交流電機的坐標變換、空間矢量脈寬 調(diào)制、電流回路和速度回路在同一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)完成，具有小型化、低成本、靈活性高等優(yōu) 點，且可以規(guī)劃成專用的電機控制芯片，很符合未來交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
[0004] 永磁同步電機是一個多變量、強耦合、非線性系統(tǒng)，矢量控制原理通過矢量坐標 變換后，使得對永磁同步電機控制可以模仿對直流電機的控制，通過這種方式控制的交流 電機的性能可以與直流電機控制性能相媲美，進而在高性能交流驅(qū)動領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng) 用。
[0005] 基于數(shù)字信號處理OSP)的電機控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，其強大的數(shù)字處理能力，使 得實現(xiàn)矢量控制算法變得簡單，但DSP的處理方式是利用軟件編程的方式，采用串行的工 作順序，如下圖1所示，由于工作方式的限制，且芯片自身10 口的限制，在一些實時性要求 高或者多臺電機協(xié)同工作的控制場合，單片DSP已經(jīng)很難滿足設(shè)計要求，不僅運算速度慢， 效率低，而且需要增加額外的硬件，才能滿足運行環(huán)境的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA的永磁同步電機矢量控 制裝置及方法，該裝置及方法利用FPGA的豐富可編程邏輯資源和并行處理的方式大大提 高了矢量控制算法的處理速度，能夠適用于各種電機控制的需求。
[0007] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于FPGA的永磁同步電機矢量控制裝置及方 法，該裝置及方法易于實現(xiàn)，比原有控制方法能夠大大降低成本，提高效率，從而使同步電 機的控制更為準確可靠。
[0008] 電動機的控制系統(tǒng)特性歸根結(jié)底是轉(zhuǎn)矩特性，而轉(zhuǎn)矩電流和磁通能否獨立控制和 調(diào)節(jié)，決定了轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生是否線性和可控。矢量控制是通過測量和控制電動機定子電流矢量， 根據(jù)磁場定向原理分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn) 矩的目的。由于在定子側(cè)的各物理量之間是相關(guān)的，很難直接對各物理量進行獨立控制。因 此，需要借助坐標系變換，使各物理量從靜止坐標系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0010]一種基于FPGA的永磁同步電機控制裝置，其特征在于所述裝置的控制端由FPGA構(gòu)成的主控制電路板和采集電路構(gòu)成，其中FPGA包括AD控制模塊、clark模塊、正余弦計 算模塊、Park模塊、反Park模塊、PI調(diào)節(jié)器、SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊和轉(zhuǎn)子信息采集模塊和時 鐘控制模塊；采集電路包括SVPWM輸出的隔離電路和采集電路，其中采集電路又包括編碼 器調(diào)理電路和定子電流采集電路。
[0011] 其中，AD控制模塊后依次接有Clark模塊、Park模塊，然后再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出給 反Park模塊，反Park模塊接SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊，SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊輸出的相應(yīng)的PWM 信號；
[0012] 轉(zhuǎn)子信息采集模塊處理后，一路經(jīng)正余弦計算模塊處理，然后同時輸出給Park模 塊和反Park模塊；另一個路則直接輸出給PI調(diào)節(jié)器，將給定目標速度值與反饋的速度值進 行比較得到誤差值，采用PI調(diào)節(jié)器消除或者降低這樣的誤差值；
[0013] 隔離電路位于SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊后；SVPWM輸出的隔離電路是實現(xiàn)數(shù)字和功率 信號的隔離；
[0014] 對于系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)：定子電流從采集電路依次經(jīng)過AD控制模塊、clark模塊、 Park模塊、PI調(diào)節(jié)器、反Park模塊后接SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端，編碼器信號經(jīng)過編 碼器調(diào)理電路到FPGA內(nèi)的轉(zhuǎn)子信息采集模塊得到轉(zhuǎn)子的速度和電角度空間位置，對于角 度位置可通過正余旋計算模塊得出具體的正余弦值，以供后續(xù)的Park模塊和反Park模塊 的輸入值；
[0015] 在系統(tǒng)的速度外環(huán)：反饋的電機速度可以與給定的速度比較，得到誤差值給速度 環(huán)PI調(diào)節(jié)器，其輸出可作為電流環(huán)q軸的輸入。
[0016]所述的轉(zhuǎn)子信息采集模塊：由光電編碼器構(gòu)成，且所述光電編碼器為復(fù)合式光電 編碼器。
[0017] 所述接于轉(zhuǎn)子信息采集模塊為速度PI調(diào)節(jié)器，速度PI節(jié)器將目標速度值與反饋 的速度值進行比較得到誤差值，速度PI調(diào)節(jié)器用以消除或者降低這樣的誤差值，輸出的q 軸坐標的目標電流的給定值。
[0018] 所述Park模塊后接有兩路PI調(diào)節(jié)器模塊，且所述兩路PI調(diào)節(jié)器模塊為電流PI 調(diào)節(jié)器，電流PI調(diào)節(jié)器用以將目標電流值與反饋的電流值進行比較得到誤差值，電流PI調(diào) 節(jié)器消除或者降低這樣的誤差值。
[0019] 所述隔離電路為單路的光耦芯片。
[0020] 所述的SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊，包括有扇區(qū)判斷模塊、矢量作用時間模塊、矢量切換 點模塊、PPL模塊、PWM生成模塊和死區(qū)時間設(shè)置模塊，其中，PPL模塊輸出三角載波，輸出的 三角載波作為給PWM生成模塊載波，扇區(qū)判斷模塊同時接有矢量作用時間模塊、矢量切換 點模塊，矢量作用時間模塊后接有矢量切換點模塊，矢量切換點模塊輸出給PWM生成模塊， 而死區(qū)設(shè)置模塊直接接PWM生成模塊，通過死區(qū)設(shè)置模塊可以設(shè)置PWM生成模塊的死區(qū)時 間，來防止上下橋臂同時導(dǎo)通而損壞逆變裝置。
[0021] 更進一步，所述速度PI調(diào)節(jié)器后接一路電流PI調(diào)節(jié)器，以消除q軸的電流誤差值
[0022] -種基于FPGA的永磁同步電機控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟：
[0023] 101、AD控制模塊獲取定子電流：永磁同步電機的定子電流為模擬量，AD控制模塊 通過控制AD芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換的時序，以得到正確的數(shù)字量；
[0024] 102、同時，轉(zhuǎn)子信息采集模塊獲取轉(zhuǎn)子的電角度和電機轉(zhuǎn)速：由光電編碼器檢測 至IJ永磁同步電機的脈沖信號經(jīng)過運算得到實際的轉(zhuǎn)子的電角度和電機轉(zhuǎn)速；
[0025] 103、消除電機轉(zhuǎn)速的誤差，轉(zhuǎn)子信息采集模塊將獲取的電機轉(zhuǎn)速傳輸給PI調(diào)節(jié) 器：將目標速度值（轉(zhuǎn)子信息采集模塊獲取到實際轉(zhuǎn)速，與給定的速度值（或者說是設(shè)定的 速度值）存在誤差，這個給定的速度值就是目標速度值。）與反饋的速度值進行比較得到誤 差值，消除或者降低誤差值，輸出的q軸坐標的目標電流的給定值；
[0026] 104、Clark變換，AD控制模塊獲取的定子電流經(jīng)Clark模塊進行變換，將三相靜止 坐標系到兩相靜止坐標系變換，變換前后的磁動勢保持不變；然后輸出給park模塊；
[0027] 105、正余弦計算：正余弦計算模塊將采集到的轉(zhuǎn)子電角度轉(zhuǎn)換為正余弦的值；
[0028] 106、park變換：park模塊將靜止坐標系下的兩相交流電流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標系下 的兩相直流電流，輸出給PI調(diào)節(jié)器；
[0029] 107、PI調(diào)節(jié)器消除誤差：目標電流值（反饋的兩相直流電流值與設(shè)定的電流值存 在誤差，這個設(shè)定的電流值就是目標電流值）與反饋的電流值進行比較得到誤差值，PI調(diào) 節(jié)器消除或者降低誤差值；
[0030] 108、反park變換：反park模塊將兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流轉(zhuǎn)換到兩相靜止 坐標系下的交流電流；
[0031] 109、合成目標電壓值：SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊通過上述靜止坐標系下的分量值可以 判斷所處的扇區(qū)，依照所處的扇區(qū)，合成目標的電壓值（按空間矢量的平行四邊形合成法 貝U，用相鄰的兩個有效工作矢量合成期望的輸出矢量）。
[0032] 所述的步驟101和102中，是通過光電編碼器調(diào)理電路將轉(zhuǎn)子的信息轉(zhuǎn)換為脈沖 信號再送入到轉(zhuǎn)子信息采集模塊當中，定子電流的采集是將微弱的定子電流信號調(diào)理到AD 芯片轉(zhuǎn)換時的范圍內(nèi)。
[0033] 所述轉(zhuǎn)子信息采集模塊采集的數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)子的電角度和電機轉(zhuǎn)速，其中電角度數(shù) 據(jù)同時輸出給Park模塊和反Park模塊，電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)則輸出給速度PI調(diào)節(jié)器。
[0034] 所述SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊的PWM驅(qū)動信號不能直接進入IPM(智能功率模塊）的 驅(qū)動端，因此在SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊后設(shè)置有隔離電路，所述隔離電路為單路的光耦芯片 為TLP559。
[0035] 所述步驟101中，定子電流的采集是經(jīng)過兩個霍爾傳感器，在副邊電阻上得到兩 路微弱地電壓信號（具有雙極性）。
[0036] 更進一步，所述電壓信號在送到AD的之前需要調(diào)理，因此，在AD控制模塊之前設(shè) 置有調(diào)理電路，調(diào)理電路采用LM324芯片，該芯片帶有四個運放，分別實現(xiàn)跟隨、放大、抬升 和濾波，最終使得信號在采樣范圍內(nèi)。
[0037] 所述的106步驟中，clark變換是以下的計算公式：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于FPGA的永磁同步電機控制裝置，其特征在于所述裝置的控制端由FPGA構(gòu) 成的主控制電路板和采集電路構(gòu)成，其中FPGA包括AD控制模塊、clark模塊、正余弦計算 模塊、Park模塊、反Park模塊、PI調(diào)節(jié)器、SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊和轉(zhuǎn)子信息采集模塊和時鐘 控制模塊；采集電路包括SVPWM輸出的隔離電路和采集電路，其中采集電路又包括編碼器 調(diào)理電路和定子電流采集電路。 其中，AD控制模塊后依次接有clark模塊、Park模塊，然后再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出給反Park模塊，反Park模塊接SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊，SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊輸出的相應(yīng)的PWM信 號； 時鐘控制信號則由時鐘控制模塊產(chǎn)生，經(jīng)轉(zhuǎn)子信息采集模塊處理后，一路經(jīng)正余弦計 算模塊處理，然后同時輸出給Park模塊和反Park模塊；另一個路則直接輸出給PI調(diào)節(jié)器， 將目標速度值與反饋的速度值進行比較得到誤差值，采用PI調(diào)節(jié)器消除或者降低這樣的 誤差值； 隔離電路位于SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊后；SVPWM輸出的隔離電路是實現(xiàn)數(shù)字和功率信號 的隔離； 對于系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)：定子電流從采集電路依次經(jīng)過AD控制模塊、clark模塊、Park模 塊、PI調(diào)節(jié)器、反Park模塊后接SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端，編碼器信號經(jīng)過編碼器調(diào) 理電路到FPGA內(nèi)的轉(zhuǎn)子信息采集模塊得到轉(zhuǎn)子的速度和電角度空間位置，對于角度位置 可通過正余旋計算模塊得出具體的正余弦值，以供后續(xù)的Park模塊和反Park模塊的輸入 值； 在系統(tǒng)的速度外環(huán)：反饋的電機速度可以與給定的速度比較，得到誤差值給速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器，其輸出可作為電流環(huán)q軸的輸入。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的永磁同步電機控制裝置，其特征在于所述的SVPWM 數(shù)據(jù)處理模塊，包括有扇區(qū)判斷模塊、矢量作用時間模塊、矢量切換點模塊、PPL模塊、PWM 生成模塊和死區(qū)時間設(shè)置模塊，其中，PPL模塊輸出三角載波，輸出的三角載波作為給PWM 生成模塊載波，扇區(qū)判斷模塊同時接有矢量作用時間模塊、矢量切換點模塊，矢量作用時間 模塊后接有矢量切換點模塊，矢量切換點模塊輸出給PWM生成模塊，而死區(qū)設(shè)置模塊直接 接PWM生成模塊，通過死區(qū)設(shè)置模塊可以設(shè)置PWM生成模塊的死區(qū)時間，來防止上下橋臂同 時導(dǎo)通而損壞逆變裝置。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的永磁同步電機控制裝置，其特征在于所述接于轉(zhuǎn) 子信息采集模塊為速度PI調(diào)節(jié)器，速度PI調(diào)節(jié)器將目標速度值與反饋的速度值進行比較 得到誤差值，速度PI調(diào)節(jié)器用以消除或者降低這樣的誤差值，輸出為q軸坐標的目標電流 的給定值。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的永磁同步電機控制裝置，其特征在于所述Park模 塊后接有兩路PI調(diào)節(jié)器模塊，且所述兩路PI調(diào)節(jié)器模塊為電流PI調(diào)節(jié)器，電流PI調(diào)節(jié)器 將目標電流值與反饋的電流值進行比較得到誤差值，電流PI調(diào)節(jié)器用以消除或者降低這 樣的誤差值。
5. 如權(quán)利要求3和4所述的基于FPGA的永磁同步電機控制裝置，其特征在于所述速度 PI調(diào)節(jié)器后接一路電流PI調(diào)節(jié)器，以消除q軸的電流誤差值。
6. -種基于FPGA的永磁同步電機控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟： 101、AD控制模塊獲取定子電流：永磁同步電機的定子電流為模擬量，AD控制模塊通過 控制AD芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換的時序，以得到正確的數(shù)字量； 102、 同時，轉(zhuǎn)子信息采集模塊獲取轉(zhuǎn)子的電角度和電機轉(zhuǎn)速：由光電編碼器檢測到永 磁同步電機的脈沖信號經(jīng)過運算得到實際的轉(zhuǎn)子的電角度和電機轉(zhuǎn)速； 103、 消除電機轉(zhuǎn)速的誤差，轉(zhuǎn)子信息采集模塊將獲取的電機轉(zhuǎn)速傳輸給PI調(diào)節(jié)器：將 目標速度值與反饋的速度值進行比較得到誤差值，PI調(diào)節(jié)器消除或者降低誤差值，輸出為 q軸坐標的目標電流的給定值； 104、Clark變換，AD控制模塊獲取的定子電流經(jīng)Clark模塊進行變換，將三相靜止坐標 系到兩相靜止坐標系變換，變換前后的磁動勢保持不變；然后輸出給park模塊； 105、 正余弦計算：正余弦計算模塊將采集到的轉(zhuǎn)子電角度轉(zhuǎn)換為正余弦的值； 106、park變換：park模塊將靜止坐標系下的兩相交流電流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標系下的兩 相直流電流，輸出給PI調(diào)節(jié)器； 107、PI調(diào)節(jié)器消除誤差：目標電流值與反饋的電流值進行比較得到誤差值，PI調(diào)節(jié)器 消除或者降低誤差值； 108、 反park變換：反park模塊將兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流變換到兩相靜止坐標 系下的交流電流變換； 109、 合成目標電壓值：SVPWM數(shù)據(jù)處理模塊通過上述靜止坐標系下的分量值可以判斷 所處的扇區(qū)，依照所處的扇區(qū)，合成目標的電壓值。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于FPGA的永磁同步電機控制方法，其特征在于所述的步驟 101和102中，是通過光電編碼器調(diào)理電路將轉(zhuǎn)子的信息轉(zhuǎn)換為脈沖信號再送入到轉(zhuǎn)子信 息采集模塊當中，定子電流的采集是將微弱的定子電流信號調(diào)理到AD芯片轉(zhuǎn)換時的范圍 內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求6所述的基于FPGA的永磁同步電機控制方法，其特征在于所述轉(zhuǎn)子信息 采集模塊采集的數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)子的電角度和電機轉(zhuǎn)速，其中電角度數(shù)據(jù)同時輸出給Park模 塊和反Park模塊，電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)則輸出給速度PI調(diào)節(jié)器。
9. 如權(quán)利要求6所述的基于FPGA的永磁同步電機控制方法，其特征在于所述的106步 驟中，clark變換是以下的計算公式：
10. 如權(quán)利要求6所述的基于FPGA的永磁同步電機控制方法，其特征在于所述的105 步驟中，正余弦計算模塊采用來自編碼器反饋的電角度信息，計算并輸出電角度的正余弦 的值供給Park變換和park逆變換使用，且該正余弦計算模塊是采用旋轉(zhuǎn)計算模式來計算 正余弦的值，采用的數(shù)據(jù)位數(shù)是18,迭代的次數(shù)為16,迭代的結(jié)果可以同時計算出正余弦 的值； 所述的步驟l〇6Park變換采用公式為：
所述步驟108中，反park變換采用的公式為：
所述步驟107中，PI調(diào)節(jié)器模塊，對于數(shù)字PI調(diào)節(jié)器采用增量式的算法其公式為：u(k) =u(k-1) +KP[e(k)-e(k-1) ] +KiTsame(k) 1為數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)，KP為比例系數(shù)，Tsam為采樣周期，e(k)為輸入的誤差； 用第K次位置輸出和第K-1次位置輸出的差值表示PI控制的輸出，在設(shè)計時對數(shù)字PI調(diào) 節(jié)器的輸出要限幅，同時為使PI調(diào)節(jié)器快速退飽和，調(diào)節(jié)器在積分環(huán)節(jié)也同時限幅。
【文檔編號】H02P21/00GK104410345SQ201410573069
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】齊凡 申請人:深圳市芯?？萍加邢薰?br>