基于PAC的電機(jī)控制器快速控制原型的研究

摘要：電機(jī)控制器的開發(fā)是電動汽車開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)。文中提出了一種基于NI Compact RIO可編程自動化控制器(PAC)的電機(jī)控制器快速控制原型(RCP)的方法。通過對PAC的主要架構(gòu)、功能、實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行闡述，結(jié)合永磁同步電機(jī)磁場定向控制方法，闡述了Compact RIO在電機(jī)控制器快速控制原型的具體實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)證明，基于PAC的快速控制原型方法適用于電動汽車用電機(jī)控制器的開發(fā)。
關(guān)鍵詞：可編程自動化控制器(PAC)；LabVIEW FPGA；電機(jī)控制；快速控制原型

    電動汽車用電機(jī)控制器的開發(fā)具有小批量、面向不同對象的特點(diǎn)，因此對開發(fā)方法應(yīng)具有周期短，成本低的特點(diǎn)，同時控制器應(yīng)該具有較強(qiáng)可重用性和可靠性，且能滿足復(fù)雜控制算法執(zhí)行和參數(shù)可在線調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的電機(jī)控制器開發(fā)一般有3種：基于可編程邏輯控制器(PLC)的電機(jī)控制器開發(fā)；基于專用電機(jī)控制的集成電路(IC)的電機(jī)控制器開發(fā)；基于微處理器(MCU)的電機(jī)控制器開發(fā)。這3種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用場合：基于PLC的電機(jī)控制開發(fā)擁有成熟的開發(fā)軟件，開發(fā)周期短，且PLC運(yùn)行可靠穩(wěn)定，但不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法；基于IC的電機(jī)控制器雖然其單個成本低，但其開發(fā)周期長、開發(fā)成本高、具有不可重配置性；基于MCU的電機(jī)控制器開發(fā)雖然可以運(yùn)行復(fù)雜的控制算法，但還是存在系統(tǒng)的通用性較弱、開發(fā)周期長的缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)一種結(jié)合這幾種優(yōu)點(diǎn)的適用于電動汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺——基于可編程自動控制器(PAC)的電機(jī)控制器快速控制原型平臺。
    筆者以美國國家儀器(NI)的CompactRIO為例，首先闡明了PAC平臺的定義和主要特點(diǎn)，然后結(jié)合永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)特點(diǎn)，簡述了如何通過Compact RIO平臺實(shí)現(xiàn)磁場定向控制的快速控制原型開發(fā)。

1 NI Compact RIO PAC平臺
    可編程自動化控制器(PAC)是集計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、儀表技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為一體的自動控制裝置。由表1可看出PAC既具有傳統(tǒng)PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點(diǎn)，又具有PC的高速運(yùn)算、豐富的編程語言、方便的網(wǎng)絡(luò)連接優(yōu)勢。

    Compact RIO可編程自動化控制器是NI推出的一款低成本、可重新配置的控制和采集系統(tǒng)。其采用可重新配置I／O(RIO)FPGA技術(shù)，以及開放式的模塊化結(jié)構(gòu)，使用戶可根據(jù)具體的項(xiàng)目需求配備不同的模塊從而可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的控制需求。同時，RIO核心具有內(nèi)置式數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧教幚砥鳎糜趯?shí)時分析、事后處理、數(shù)據(jù)記錄并且可以聯(lián)網(wǎng)與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互。此外，NI LabVIEW是一個開放而靈活的開發(fā)環(huán)境，能夠與多種工業(yè)硬件無縫連接，將基于配置的開發(fā)方式和編程語言緊密結(jié)合起來。圖1所示為Compact RIO的功能圖。

    從功能架構(gòu)可以看出，NICompact RIO硬件上配備模擬輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、基于FPGA的高速RIO、浮點(diǎn)運(yùn)算器、大容量非易失存儲介質(zhì)，軟件上配備實(shí)時操作系統(tǒng)、運(yùn)動控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互模塊。對于控制電機(jī)需用到的PWM接口、編碼器接口、模擬輸入接口、高速運(yùn)算器和快速控制原型需要的可重配置性、實(shí)時在線調(diào)節(jié)參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲功能NICompact RIO都可以實(shí)現(xiàn)。因此NICompact RIO是一個適合做電機(jī)控制器RCP的PAC平臺。

2 永磁同步電機(jī)磁場定向(FOC)控制
    電動汽車用電機(jī)系統(tǒng)需要具有控制穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)效率高的特點(diǎn)。矢量控制是1971年西門子工程師F-Blaaschke首次提出的，其基本思想是通過坐標(biāo)變換，將靜止坐標(biāo)系中定子電流空間矢量is分解為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個分量：勵磁電流分量id和與之垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量iq。在工作過程中，通過對id和iq的大小進(jìn)行控制，便可獲得與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)膭討B(tài)性能。因其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制軟件實(shí)現(xiàn)較容易，已被廣泛應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)中。

    圖2是永磁同步電機(jī)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型，其定子磁鏈方程為式(1)；電壓方程為式(2)；電磁轉(zhuǎn)矩方程為式(3)。
   
    式(1)～(3)中，ψd為d軸磁鏈，ψq為q軸磁鏈，id為d軸電流，iq為q軸電流，ud為d軸電壓，uq為q軸電壓，ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，是常數(shù)：ω為轉(zhuǎn)子電角速度；Ld為d軸等效線圈的自感；Lq為q軸等效線圈的自感；P為電機(jī)極對數(shù)；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；is為定子電流矢量；β為電機(jī)功角。
    磁場定向控制(FOC)又稱為id=0控制，即在矢量控制中使勵磁電流分量保持為零；通過控制轉(zhuǎn)矩電流分量來控制電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，此時的電磁轉(zhuǎn)矩為：
    Tem=Pψfiq (8)
    FOC主要由電流和速度采集模塊、坐標(biāo)變換模塊、PID模塊、SVPWM模塊組成，圖3為FOC的框圖。

3 基于cRIO電機(jī)控制RCP
    基于cRIO PAC電機(jī)控制器RCP的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    1)Host主機(jī)負(fù)責(zé)電機(jī)控制的速度輸入、參數(shù)在線調(diào)試、實(shí)時狀態(tài)顯示等人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)文件的保存；
    2)Compact RIO系統(tǒng)相當(dāng)于RCP中的虛擬控制器對實(shí)際的電機(jī)對象進(jìn)行控制。虛擬控制器分為實(shí)時系統(tǒng)和FPGA模塊兩部分，實(shí)時系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)運(yùn)行實(shí)時性相對要求較高的程序，以及擔(dān)任串聯(lián)FPGA與Host主機(jī)的角色；
    3)FPGA模塊主要負(fù)責(zé)控制可重配置的IO模塊，輸出PWM和實(shí)時采集電流、速度信號，高速并行執(zhí)行磁場定向控制算法。
3．1 Host主機(jī)界面
    基于Windows系統(tǒng)的Host主機(jī)相對于實(shí)時系統(tǒng)的Compact RIO擁有更大的數(shù)據(jù)儲存空間，更加友好的人機(jī)界面。Compact RIO可通過以太網(wǎng)與Host主機(jī)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。一臺Host主機(jī)可以連接控制多臺Compact RIO。本實(shí)驗(yàn)Host主機(jī)與Compact RIO為一對一的連接，開發(fā)人員可通過對Host主機(jī)的界面的操作而實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度輸入、磁場定向中的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)試、數(shù)據(jù)保存和后處理等功能。
    Host主機(jī)VI與RT實(shí)時系統(tǒng)VI的數(shù)據(jù)交互使用了共享變量技術(shù)。LabVIEW共享變量可以在網(wǎng)絡(luò)上的不同VI之間共享數(shù)據(jù)，編輯時使用屬性對話框來配置，開發(fā)簡單。在本實(shí)驗(yàn)中啟停命令和輸入速度分別以整形變量從Host主機(jī)發(fā)送到RT系統(tǒng)，而3組PID的參數(shù)分別以數(shù)組的形式進(jìn)行共享。同時，Host主機(jī)從RT系統(tǒng)接收的電機(jī)控制的狀態(tài)和算法的中間變量都是組成數(shù)組的形式進(jìn)行共享。圖5和圖6分別是Host主機(jī)VI的前面板和后面板。

3．2 實(shí)時處理器
    從圖3可看出在電機(jī)控制器RCP的過程中，實(shí)時系統(tǒng)發(fā)揮著一個承上啟下的作用。實(shí)時處理器與FPGA交互部分的程序是對時間要求嚴(yán)格，優(yōu)先執(zhí)行；而數(shù)據(jù)存儲和與Host交互的程序優(yōu)先級較低，正常調(diào)度。
    實(shí)時處理器與FPGA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互使用了FPGA接口操作和DMA FIFO技術(shù)，F(xiàn)PGA接口操作是以FPGA VI的單個變量為對象進(jìn)行讀寫操作；DMA FIFO技術(shù)是通過先入先出隊(duì)列實(shí)現(xiàn)RT到FPGA和FPGA到RT的大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。
    本實(shí)驗(yàn)中從Host主機(jī)傳輸過來的啟停命令、需求速度、PID參數(shù)都是通過FIFO實(shí)時傳送到FPGA程序上。而FPGA執(zhí)行磁場定向控制中的反饋信號和中間變量同樣通過FIFO傳送到RT上。圖7為實(shí)時系統(tǒng)VI的程序后面板。

3．3 FPGA模塊
    FPGA具有高性能、可重新配置、小尺寸和較低工程開發(fā)成本的特性，但傳統(tǒng)的EDA工具對FPGA的開發(fā)門檻高、開發(fā)周期長。而NI LabVIEW FPGA模塊為Compact RIO上的FPGA芯片提供了圖形化的開發(fā)環(huán)境，使Compact RIO較其他PAC具有更大的靈活性和可重配置性。FPGA運(yùn)行在高速時鐘下，定時／觸發(fā)分辨率達(dá)25 ns，并且擁有基于硬件電路的并行執(zhí)行特點(diǎn)，對比于傳統(tǒng)的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)提高了電機(jī)控制性能。
    從圖3可以看出磁場定向所有算法都是在FPGA上執(zhí)行的；主要包括：電流和速度采集模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流環(huán)PID控制模塊、速度環(huán)PID控制模塊、SVPWM輸出模塊。除了采集模塊和輸出模塊是順序執(zhí)行之外，其他3個模塊都是可以采用多級流水線的方式并行執(zhí)行的。

    NI LabVIEW FPGA模塊圖形化的開發(fā)環(huán)境使用戶可以既快速又高效地編寫程序進(jìn)行硬件控制和算法實(shí)現(xiàn)。由于篇幅有限，圖8和圖9只展示了SVPWM模塊、PID算法的程序?qū)崿F(xiàn)圖。

4 結(jié)論
    本文在深入了解了可編程自動控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合了NI Compact RIO的高可靠性、強(qiáng)大的軟件功能、易于開發(fā)的特點(diǎn)，對基于Compa ct RIO的電機(jī)控制器快速控制原型的進(jìn)行了研究，并以永磁同步電機(jī)磁場定向控制為例進(jìn)行設(shè)計，說明了基于PAC的快速控制原型方法適合用于電動汽車電機(jī)控制器的開發(fā)。