開關(guān)磁阻電機(jī)全數(shù)字控制系統(tǒng)中FPGA的應(yīng)用

摘要：提出了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)全數(shù)字控制系統(tǒng)，對(duì)DSP和FPGA的功能進(jìn)行了分配。根據(jù)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求，分析控制邏輯，由FPGA實(shí)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(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高效、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；全數(shù)字控制系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0 引言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)是由雙凸極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)、功率變換器、控制器以及檢測(cè)器等組成的一種新型調(diào)速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的直流和交流調(diào)速系統(tǒng)相比較，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)不僅保持了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，運(yùn)行可靠，成本低，效率高。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)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(gòu)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(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，控制性能不夠理想。模糊控制是目前應(yīng)用較多的一種智能控制方法，無需被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型即能實(shí)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(chǎng)合，這對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也提出了更高的要求。由于FPGA具有現(xiàn)場(chǎng)可編程的特點(diǎn)，并且它使系統(tǒng)內(nèi)可再編程技術(shù)，使系統(tǒng)內(nèi)的硬件功能可以像軟件一樣被編程并隨時(shí)配置，使得所有的邏輯電路都在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，省去了芯片之間的連線，硬件可靠性高，運(yùn)算速度快，所以更適合應(yīng)用于高速電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中。

全數(shù)字化開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制器把高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP和先進(jìn)的模糊控制算法相結(jié)合，把FPGA和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)相結(jié)合，克服了模擬元器件的缺點(diǎn)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(cè)器4大部分組成，如圖1所示。SRM是SRD中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD有別于其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。功率變換器向SRM提供運(yùn)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?？刂破魇钦麄€(gè)調(diào)速系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)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(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

在SRD中，功率變換器是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，通過工作在開關(guān)狀態(tài)執(zhí)行控制輸出信號(hào)，將電源電能在適當(dāng)時(shí)段提供給各相繞組來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此功率變換器的設(shè)計(jì)必須與電機(jī)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(guān)式功率變換器主電路如圖2所示，以IGBT作為主開關(guān)器件，其驅(qū)動(dòng)電路選用IR公司的浮地驅(qū)動(dòng)芯片IR2130實(shí)現(xiàn)。SRM的可控參數(shù)較多，控制方法靈活。常采用在低速時(shí)選擇電流斬波控制(CCC)和高速時(shí)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(duì)DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)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(shè)計(jì)中DSP主要用于模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)，并負(fù)責(zé)模擬量的采集和控制量的輸出，而FPGA完成速度檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、位置細(xì)分等工作。同時(shí)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(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行檢測(cè)。DSP與FPGA之間通過目前電子設(shè)計(jì)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(duì)于如何利用DSP實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的研究相對(duì)比較成熟，可見，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)與應(yīng)用即成為整個(gè)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

FPGA片內(nèi)的斬波滯環(huán)計(jì)數(shù)器模塊接收三路斬波信號(hào)，承擔(dān)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(dòng)信號(hào)；位置綜合與倍頻模塊接收經(jīng)整形的三路光電位置信號(hào)，綜合出256倍頻信號(hào)，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(hù)等信號(hào)，當(dāng)電流超過上限值后產(chǎn)生低電平信號(hào)，F(xiàn)PGA利用此低電平信號(hào)封鎖輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)斬波控制策略，同時(shí)也是一種對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電流保護(hù)的措施。

3 基于FPGA實(shí)現(xiàn)三相功率變換器驅(qū)動(dòng)的控制邏輯

此邏輯電路的作用是將控制開關(guān)元件的四類信號(hào)實(shí)現(xiàn)綜合，以使各信號(hào)均能有效發(fā)揮作用，下面列出了邏輯表達(dá)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(gè)是圖2中上橋臂信號(hào)，后三個(gè)是下橋臂信號(hào))為控制開關(guān)元件通斷的信號(hào)；ICA，ICB，ICC為A，B，C三相電路提供的電流斬波控制信號(hào)；IPA，IPB，IPC為限流保護(hù)電路提供的控制信號(hào)，作用是在開關(guān)元件中的電流超過設(shè)定值時(shí)直接關(guān)斷元件進(jìn)行保護(hù)；PWMA，PWMB是電壓斬波信號(hào)，該信號(hào)的寬度調(diào)制是由模糊邏輯調(diào)節(jié)控制的，實(shí)際運(yùn)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(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。借助MAX+PLUSⅡ仿真軟件，得到斬波控制時(shí)的仿真波形如圖4所示。圖中觸發(fā)信號(hào)在各相導(dǎo)通期間發(fā)出脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)斬波控制方式。相位角控制方式是由相導(dǎo)通信號(hào)A，B，C，A’，B’，C’(決定導(dǎo)通相)和PWM(決定導(dǎo)通寬度)信號(hào)控制的，仿真波形如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)功率主電路的可靠工作，設(shè)計(jì)中不僅考慮了功率電路相導(dǎo)通的各種控制方式的實(shí)現(xiàn)，還考慮了電流保護(hù)功能。在起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，電機(jī)繞組內(nèi)有可能產(chǎn)生較大的峰值電流，超過電流保護(hù)動(dòng)作值而輸出電流保護(hù)信號(hào)IP給邏輯綜合電路，關(guān)斷上橋臂開關(guān)元件，讓電路開始續(xù)流，直到電流降低到一定水平才恢復(fù)導(dǎo)通，從而可以保護(hù)功率開關(guān)不會(huì)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(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，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(yīng)的Matlab函數(shù)、參數(shù)完成的。控制器為本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。在負(fù)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(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖6所示。

從得到的仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的基于DSP和FPGA的全數(shù)字開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有令人滿意的控制效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定變化時(shí)，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)具有超調(diào)小，響應(yīng)速度快，無靜差的動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié)語

FPGA適合于時(shí)序、組合等邏輯電路應(yīng)用場(chǎng)合，它可以代替幾十塊甚至上百塊通用IC芯片，F(xiàn)PGA實(shí)際上就是一個(gè)子系統(tǒng)部件。但是系統(tǒng)越復(fù)雜，F(xiàn)PGA內(nèi)部所需要的邏輯單元越多，價(jià)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(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的控制算法，更多的是擴(kuò)展了DSP的功能。今后隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA更可以實(shí)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(shí)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(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的實(shí)用領(lǐng)域。