開關磁阻電機全數(shù)字控制系統(tǒng)中FPGA的應用

摘要：提出了基于數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的開關磁阻電動機全數(shù)字控制系統(tǒng)，對DSP和FPGA的功能進行了分配。根據(jù)開關磁阻電動機的驅(qū)動要求，分析控制邏輯，由FPGA實現(xiàn)了電流斬波、角度位置和PWM電壓斬波相結(jié)合的控制方案。仿真結(jié)果表明，設計的開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)具有高效、實時、動態(tài)性能好等優(yōu)點。

關鍵詞：開關磁阻電動機；全數(shù)字控制系統(tǒng)；數(shù)字信號處理器；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言

開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)(SRD)是由雙凸極開關磁阻電動機(SRM)、功率變換器、控制器以及檢測器等組成的一種新型調(diào)速電動機系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的直流和交流調(diào)速系統(tǒng)相比較，開關磁阻電動機不僅保持了感應電動機的全部優(yōu)點，而且電機結(jié)構簡單，控制方便，運行可靠，成本低，效率高。本文設計的開關磁阻電動機全數(shù)字控制系統(tǒng)選用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作為主控制器，Xilinx公司的FPGA芯片XC2S150E作為輔助控制器構成硬件控制方案。

由于SRD系統(tǒng)的非線性，使得用普通的定參數(shù)PID調(diào)節(jié)器進行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)時，控制性能不夠理想。模糊控制是目前應用較多的一種智能控制方法，無需被控對象準確的數(shù)學模型即能實現(xiàn)較好的控制效果。如今SRM正越來越多的被用于高速甚至超高速場合，這對控制系統(tǒng)的實時性也提出了更高的要求。由于FPGA具有現(xiàn)場可編程的特點，并且它使系統(tǒng)內(nèi)可再編程技術，使系統(tǒng)內(nèi)的硬件功能可以像軟件一樣被編程并隨時配置，使得所有的邏輯電路都在一個芯片上實現(xiàn)，省去了芯片之間的連線，硬件可靠性高，運算速度快，所以更適合應用于高速電機的調(diào)速系統(tǒng)中。

全數(shù)字化開關磁阻電動機的控制器把高性能數(shù)字信號處理器DSP和先進的模糊控制算法相結(jié)合，把FPGA和數(shù)字電路的設計相結(jié)合，克服了模擬元器件的缺點并且解決了SRM的非線性帶來的一系列問題。

1 SRD系統(tǒng)的組成

SRD主要由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器4大部分組成，如圖1所示。SRM是SRD中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD有別于其他電動機驅(qū)動系統(tǒng)的主要標志。功率變換器向SRM提供運轉(zhuǎn)所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。控制器是整個調(diào)速系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對SR電機運行狀態(tài)的控制。

在SRD中，功率變換器是整個系統(tǒng)的重要組成部分，通過工作在開關狀態(tài)執(zhí)行控制輸出信號，將電源電能在適當時段提供給各相繞組來驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此功率變換器的設計必須與電機及控制器一起綜合考慮，使其能協(xié)調(diào)工作。本文采用雙開關式功率變換器主電路如圖2所示，以IGBT作為主開關器件，其驅(qū)動電路選用IR公司的浮地驅(qū)動芯片IR2130實現(xiàn)。SRM的可控參數(shù)較多，控制方法靈活。常采用在低速時選擇電流斬波控制(CCC)和高速時選擇角度位置控制(APC)的混合控制方法。

2 基于DSP和FPGA的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)

由于采用了DSP和FPGA并行處理數(shù)據(jù)和控制的方法，所以需要對DSP和FPGA實現(xiàn)的功能進行合理的劃分，圖3是DSP和FPGA之間的接口和功能分配圖。

本設計中DSP主要用于模糊控制算法的實現(xiàn)，并負責模擬量的采集和控制量的輸出，而FPGA完成速度檢測、驅(qū)動與保護、位置細分等工作。同時為了保證DSP與FPGA之間正確的數(shù)據(jù)交換，由主要輸出量對系統(tǒng)的可靠性進行檢測。DSP與FPGA之間通過目前電子設計中大量采用的FIFO接口聯(lián)系在一起。

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目前國內(nèi)外對于如何利用DSP實現(xiàn)模糊控制算法的研究相對比較成熟，可見，F(xiàn)PGA的設計與應用即成為整個設計成敗的關鍵。

FPGA片內(nèi)的斬波滯環(huán)計數(shù)器模塊接收三路斬波信號，承擔CCC控制方式中的定△t斬波，并輸出邏輯綜合后的三相功率變換器驅(qū)動信號；位置綜合與倍頻模塊接收經(jīng)整形的三路光電位置信號，綜合出256倍頻信號，送入DSP中用于角度控制；控制邏輯綜合模塊接收系統(tǒng)保護等信號，當電流超過上限值后產(chǎn)生低電平信號，F(xiàn)PGA利用此低電平信號封鎖輸出信號，實現(xiàn)斬波控制策略，同時也是一種對系統(tǒng)進行電流保護的措施。

3 基于FPGA實現(xiàn)三相功率變換器驅(qū)動的控制邏輯

此邏輯電路的作用是將控制開關元件的四類信號實現(xiàn)綜合，以使各信號均能有效發(fā)揮作用，下面列出了邏輯表達式：

TRA=A·ICA·IPA·PWMA

TRB=B·ICB·IPB·PWMA

TRC=C·ICC·IPC·PWMA

TRA’=A’·ICA·PWMB

TRB’=B’·ICA·PWMB

TRC’=C’·ICA·PWMB

式中：A，B，C，A’，B’，C’(前三個是圖2中上橋臂信號，后三個是下橋臂信號)為控制開關元件通斷的信號；ICA，ICB，ICC為A，B，C三相電路提供的電流斬波控制信號；IPA，IPB，IPC為限流保護電路提供的控制信號，作用是在開關元件中的電流超過設定值時直接關斷元件進行保護；PWMA，PWMB是電壓斬波信號，該信號的寬度調(diào)制是由模糊邏輯調(diào)節(jié)控制的，實際運行與給定差值越大則脈寬越寬；TRA，TR B，TRC，TRA’，TRB’，TRC’是功率變換電路各主開關管的驅(qū)動控制信號。借助MAX+PLUSⅡ仿真軟件，得到斬波控制時的仿真波形如圖4所示。圖中觸發(fā)信號在各相導通期間發(fā)出脈沖信號，從而實現(xiàn)斬波控制方式。相位角控制方式是由相導通信號A，B，C，A’，B’，C’(決定導通相)和PWM(決定導通寬度)信號控制的，仿真波形如圖5所示。為了實現(xiàn)功率主電路的可靠工作，設計中不僅考慮了功率電路相導通的各種控制方式的實現(xiàn)，還考慮了電流保護功能。在起動和制動時，電機繞組內(nèi)有可能產(chǎn)生較大的峰值電流，超過電流保護動作值而輸出電流保護信號IP給邏輯綜合電路，關斷上橋臂開關元件，讓電路開始續(xù)流，直到電流降低到一定水平才恢復導通，從而可以保護功率開關不會因過電流而損壞。

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4 仿真與結(jié)果分析

本文選用三相12／8極開關磁阻電動機，其中R=0．5 Ω，Lmin=8 mH，Lmax=60 mH。所有仿真都是通過使用Matlab／Simulink方框圖、相應的Matlab函數(shù)、參數(shù)完成的?？刂破鳛楸疚脑O計的基于DSP和FPGA的全數(shù)字控制器，轉(zhuǎn)速環(huán)的模糊控制算法由DSP實現(xiàn)。在負載為零的情況下，將轉(zhuǎn)速給定從800 r／min突加到1 600 r／min時的轉(zhuǎn)速響應曲線如圖6所示。

從得到的仿真結(jié)果可以看出，所設計的基于DSP和FPGA的全數(shù)字開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)具有令人滿意的控制效果。當轉(zhuǎn)速給定變化時，整個調(diào)速系統(tǒng)具有超調(diào)小，響應速度快，無靜差的動態(tài)性能。

5 結(jié)語

FPGA適合于時序、組合等邏輯電路應用場合，它可以代替幾十塊甚至上百塊通用IC芯片，F(xiàn)PGA實際上就是一個子系統(tǒng)部件。但是系統(tǒng)越復雜，F(xiàn)PGA內(nèi)部所需要的邏輯單元越多，價格就越昂貴，因此考慮到目前系統(tǒng)的成本，本文中FPGA在全數(shù)字控制系統(tǒng)中只實現(xiàn)比較簡單的控制算法，更多的是擴展了DSP的功能。今后隨著電子技術的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA更可以實現(xiàn)模糊控制之類的控制算法，甚至可以嘗試將DSP做入FPGA芯片，直至實現(xiàn)無CPU控制。這樣不僅可以使控制器節(jié)省空間，更可以提高控制的速度和精度，從而拓寬開關磁阻電動機的實用領域。