基于DSP-FPGA的永磁電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

洪劍鋒，宋鳳林，黃劭剛

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031）

基于DSP-FPGA的永磁電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

洪劍鋒，宋鳳林，黃劭剛

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031）

以交流永磁電機(jī)矢量控制原理為基礎(chǔ)，介紹了一種基于DSP-FPGA的永磁電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了數(shù)字控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)及相應(yīng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)為了提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，采用了基于CORDIC變換的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值與轉(zhuǎn)速信息，且DSP與FPGA之間采用高速同步串行通信SPI來實(shí)現(xiàn)。在對(duì)總體設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)軟件仿真和對(duì)實(shí)際永磁電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)字控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較好的動(dòng)靜態(tài)特性與快速性能，在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用前景。

永磁電機(jī)；DSP-FPGA；矢量控制；CORDIC旋變解碼

0 引言

永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、高效率、高輸出轉(zhuǎn)矩、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和交流伺服控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。

目前對(duì)永磁電機(jī)的控制技術(shù)主要有磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子靜止坐標(biāo)系中針對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩實(shí)施獨(dú)立控制，通過在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻選擇合適的空間電壓矢量來實(shí)現(xiàn)兩者近似解耦的控制效果［1］。而矢量控制技術(shù)［2］的核心是在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)坐標(biāo)系中對(duì)磁場(chǎng)電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq分別進(jìn)行控制，其控制性能可與直流電機(jī)相媲美。傳統(tǒng)的DSP控制方案可以滿足算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)算速度高等的需求［2］，但是對(duì)運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的底層信號(hào)處理算法來說顯不出優(yōu)點(diǎn)，適合采用FPGA硬件來實(shí)現(xiàn)［3］。本文正是充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，將其集成在同一控制系統(tǒng)當(dāng)中，其最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，通用性強(qiáng)，運(yùn)算速度高等。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼都是由專用芯片［4］來完成，其過程復(fù)雜費(fèi)時(shí)，本文采用基于CORDIC變換的旋變解碼算法來得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值和轉(zhuǎn)速信號(hào)，且其完全由FPGA純硬件來完成，提高了實(shí)時(shí)性。DSP與FPGA之間采用高速同步串行通訊SPI來實(shí)現(xiàn)，SPI通訊協(xié)議簡(jiǎn)單，連線少，且能全雙工通信。最后以TI公司的芯片TMS320F2812與ALTERA公司的CYCLONE IV系列FPGA芯片EP4CE6F17C8為核心控制板，通過仿真軟件和對(duì)實(shí)際永磁電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有可行性與準(zhǔn)確性，且動(dòng)靜態(tài)性能和控制效果好，在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用前景和參考價(jià)值。

1 交流永磁同步電機(jī)矢量控制原理

矢量控制理論［1］的基本思想是將定子三相交流電經(jīng)過坐標(biāo)變化和磁場(chǎng)定向，分解為磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量并分別對(duì)其控制，從而達(dá)到了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦控制。圖1是永磁同步電機(jī)矢量控制原理圖。采用旋轉(zhuǎn)變壓器得到轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)值和轉(zhuǎn)速值構(gòu)成矢量閉環(huán)控制。

圖1 交流永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖

永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：is為定子電流，id，iq為定子電流dq軸分量，ψd，ψq為dq軸磁鏈，Ld，Lq為dq軸同步電感，ψf為永磁磁鏈，p0為磁極對(duì)數(shù)，β為轉(zhuǎn)矩角。

從電磁轉(zhuǎn)矩方程可得其分為兩部分，其一為永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩；其二為轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。它們都與定子電流的q軸分量成正比，即只要控制電流轉(zhuǎn)矩分量iq就可以控制轉(zhuǎn)矩的大小。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)矢量控制系統(tǒng)是以DSP-FPGA為核心，其硬件設(shè)計(jì)主要包括：主回路設(shè)計(jì)，控制回路設(shè)計(jì)，檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。為了達(dá)到對(duì)電機(jī)的精確控制和充分利用DSPFPGA芯片的特長(zhǎng)，將閉環(huán)矢量控制算法、計(jì)算PWM脈寬等復(fù)雜功能由DSP芯片來完成［5］，將電機(jī)各種故障檢測(cè)、計(jì)算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角值及PWM反相與死區(qū)設(shè)置等功能由FPGA芯片完成。采用CORDIC算法的旋變解碼過程由FPGA純硬件來完成，得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值和轉(zhuǎn)速信號(hào)，DSP與FPGA之間采用高速同步串行通訊SPI來實(shí)現(xiàn)。

2.1 主回路設(shè)計(jì)

主電路由整流電路、濾波電路、逆變電路、啟動(dòng)和制動(dòng)電路組成，如圖2所示。整流電路由6個(gè)二極管組成三相橋式整流電路，其型號(hào)為DFA100BA160，其不具有可控性和逆變能量回饋性能。CS4為整流橋吸收電容，容量為0.22μF/1200V。逆變電路由6個(gè)IGBT組成，其型號(hào)為FF150R12RT4，其是電壓型逆變電路，可通過PWM控制將直流逆變?yōu)槿嗾也妷?。啟?dòng)電路是由一個(gè)可控硅SCR和一個(gè)充電電阻Rs并聯(lián)組成，為了防止開啟變頻器時(shí)電容充電產(chǎn)生過電流。制動(dòng)電路由一個(gè)IGBT模塊T1和制動(dòng)電阻組成，為了將電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能釋放到制動(dòng)電阻上。C表示帶有均壓電阻的電解電容的濾波模塊。

圖2 主回路設(shè)計(jì)框圖

圖3 控制回路設(shè)計(jì)框圖

2.2 控制回路設(shè)計(jì)

永磁電機(jī)矢量數(shù)字控制系統(tǒng)的控制回路以DSPFPGA芯片為核心，其中DSP主要完成矢量控制復(fù)雜算法、利用事件管理器計(jì)算PWM脈寬與網(wǎng)絡(luò)通訊包括SCI和SPI等功能，PFGA主要完成A/D轉(zhuǎn)換控制信號(hào)、CORDIC旋變解碼算法實(shí)現(xiàn)，各類故障保護(hù)判斷處理、IGBT脈沖觸發(fā)信號(hào)反相與死區(qū)時(shí)間設(shè)定等功能［6］。如圖3所示，由FPGA產(chǎn)生10kHz的方波信號(hào)，經(jīng)過濾波/功率放大電路得到旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入正弦信號(hào)UR1-R2，其輸出信號(hào)US1-S3、US2-S2中含有轉(zhuǎn)子的位置信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入到FPGA中進(jìn)行解碼，解碼得到轉(zhuǎn)角正余弦值與轉(zhuǎn)速值送入DSP閉環(huán)控制。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的ADS8344，其是一款高速、低功耗、16位逐次逼近型，最大采樣速率為100kHz芯片。其中需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)包括三相電流信號(hào)、母線電壓、系統(tǒng)運(yùn)行溫度和端子口輸入的模擬信號(hào)。由于在永磁電機(jī)矢量數(shù)字控制系統(tǒng)中，定子電流和母線電壓的檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)性能。為此，本系統(tǒng)選用型號(hào)為CSCA0100A000B15B01的霍爾電流傳感器來檢測(cè)電流，它的線性度、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力要強(qiáng)于一般的傳感器。核心控制芯片還包括其他的相對(duì)簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備，如時(shí)鐘、JTAG下載口、外擴(kuò)FLASH與RAM等，下文著重介紹CORDIC旋變解碼算法的FPGA純硬件實(shí)現(xiàn)，DSP與FPGA之間的SPI數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)與DSP算法現(xiàn)實(shí)的軟件設(shè)計(jì)。

2.3 CORDIC旋變解碼算法的設(shè)計(jì)

設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器原邊輸入正弦電壓為：

則副邊繞組感應(yīng)輸出電壓為：

式中：E0為勵(lì)磁電壓幅值；Um為副邊繞組感應(yīng)輸出電壓向量的模；ω為勵(lì)磁電壓角頻率；k為旋轉(zhuǎn)變壓器變比；θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。

Um的大小可以通過輸出電壓的兩個(gè)分量的合成求得，其正負(fù)方向取決于原邊輸入電壓的方向，即為輸入信號(hào)的同步方波d：

轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)值為：

其中d為輸入電壓信號(hào)的同步方波信號(hào)：

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ的正弦和余弦函數(shù)可以看成以1為模的空間旋轉(zhuǎn)矢量，其轉(zhuǎn)速為：

將上式化為差分格式為：

所以旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法的信號(hào)處理過程如下圖4所示。

CORDIC算法迭代模式有三種，三種模式［7］可以用統(tǒng)一的表達(dá)式（9）來表示；

圖4 旋變解碼過程

式中i為旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，為旋轉(zhuǎn)角度累加，di為旋轉(zhuǎn)方向，di=-1表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，di=1表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)m=1為圓周旋轉(zhuǎn)模式，m=0或-1分別是線性旋轉(zhuǎn)和雙曲旋轉(zhuǎn)模式。針對(duì)輸入向量的不同，di有兩種表達(dá)：

本文采用圓周旋轉(zhuǎn)模式的直角向量方式進(jìn)行迭代運(yùn)算，其解碼的初始條件為：

迭代算法的表達(dá)式為：

經(jīng)過n次迭代后，y趨近于零，旋轉(zhuǎn)變壓器副邊繞組感應(yīng)輸出電壓向量的模可以由下式得到：

其中 kn為伸縮因子［7］如下式（14）計(jì)算，其值為0.6037。

具體實(shí)際到硬件電路中用以下移位實(shí)現(xiàn)：

如圖5為正余弦值算法結(jié)構(gòu)圖，圖6為用Verilog語言［8］編寫經(jīng)Quartus II軟件綜合后的旋變解碼的RTL視圖。

圖5 正余弦值和轉(zhuǎn)速算法結(jié)構(gòu)

圖6 模塊的RTL視圖

2.4 DSP與FPGA間SPI數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

SPI數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡(jiǎn)單，連線少，且是全雙工的通訊方式，只需要4根線：clk同步時(shí)鐘信號(hào)、mosi主端輸出/從端輸入數(shù)據(jù)信號(hào)、miso主端輸入/從端輸出數(shù)據(jù)信號(hào)、cs從端片選段，SPI數(shù)據(jù)通信的同步串行傳輸順序是高位先傳、低位后傳。根據(jù)開始數(shù)據(jù)采樣的邊沿及時(shí)鐘的空閑狀態(tài)不同，SPI通信可分為4中模式［9］，本文采用模式0進(jìn)行通信，即在未通信是clk為低電平，當(dāng)片選信號(hào)下降沿有效時(shí)且為時(shí)鐘信號(hào)的下降沿時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿接收數(shù)據(jù)。在本控制系中，將FPGA設(shè)置為SPI通信的主模塊，DSP為從模塊，如圖7所示，SPI通信主模塊FPGA實(shí)現(xiàn)圖。

圖7 SPI通訊FPGA設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括DSP控制軟件和FPGA控制軟件兩部分組成，由于DSP是系統(tǒng)主控單元，這里著重介紹DSP子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。DSP程序設(shè)計(jì)總體上分為初始化程序、功能模塊程序與中斷服務(wù)程序3部分組成。初始化程序包括DSP硬件與軟件變量的初始化，主要在主程序中完成，如圖8所示。功能模塊包括人機(jī)界面與SPI通信，中斷服務(wù)程序包括PWM中斷子程序和SPI通信中斷子程序，PWM中斷子程序是實(shí)現(xiàn)矢量控制的核心程序，其包括坐標(biāo)變換、電流采樣、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)更新、磁鏈觀測(cè)與SVPWM信號(hào)產(chǎn)生等功能，具體的程序流程如圖9所示。

圖8 主程序流程圖

圖9 PWM中斷服務(wù)程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司的CYCLONE IV系列FPGA芯片EP4CE6F17C8為核心控制板，采用模塊化編程設(shè)計(jì)思路，基于CORDIC變換的旋變解碼算法的Modelsim仿真波形如圖10所示，圖10包含旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入信號(hào)、同步方波處理信號(hào)與解碼后輸出的轉(zhuǎn)角正余弦值等信號(hào)。接著在一臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電機(jī)相關(guān)參數(shù)如下：額定功率Pn=22kW，額定電壓Un= 90V，額定頻率fn=150Hz，定子阻值Rs=0.121Ω，d軸電感Ls=0.0965mH，q軸電感Lq=0.2804mH，極數(shù)P=6。圖11是DSP與FPGA進(jìn)行SPI通信是的片選cs和clk時(shí)鐘信號(hào)，其表明控制系統(tǒng)通信成功。圖12是A相與B相的SVPWM波形和線電壓SVPWM波形，證明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與準(zhǔn)確性。

圖10 CORDIC旋變解碼的輸入輸出及同步方波處理信號(hào)

圖11 SPI通訊片選與時(shí)鐘信號(hào)

圖12 AB相及線電壓SVPW波

5 結(jié)論

本文以DSP-FPGA為核心構(gòu)建的交流永磁電機(jī)矢量數(shù)字控制系統(tǒng)，并且采用CORDIC變換對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行解碼運(yùn)算得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值與轉(zhuǎn)速信息，控制板之間采用SPI同步串行通信來實(shí)現(xiàn)。DSP與FPGA既相互協(xié)調(diào)又完成各自獨(dú)立的功能。通過仿真結(jié)果與實(shí)際對(duì)一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定可靠，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單集成度高的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的矢量數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)方案，可以廣泛應(yīng)用于以交流永磁電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的電氣傳動(dòng)中。

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（編輯 趙蓉）

Design of Digital Control System of Permanent Magnet Motor Based on DSP-FPGA

HONG Jian-feng，SONG Feng-lin，HUANG Shao-gang
（School of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

This paper presents the design of digital control system of permanent magnet motor based on DSPFPGA and permanent magnet motor FOC principles.It completes the overall structure and the design of corresponding hardware and software of digital control system.In order to improve the dynamic performance of the control system，This paper uses resolver decoding algorithm based on CORDIC to obtain angle cosine and sine value and speed information，And uses high-speed synchronous serial communication SPI between DSP and FPGA.Basis on the of the overall design and analysis，simulation by computer software and control experimental on actual permanent magnet motor results shows that the digital control system has a simple designed structure，better dynamic and static performance.Therefore，this control system has good prospect in practical applications.

permanent magnet motor；DSP-FPGA；field orientation control；CORDIC resolver decoding

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）06-0096-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.027

2014-08-27

江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金資助（YC2013-S059）

洪劍鋒（1988—），男，南昌人，南昌大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制，（E-mail）381613123@qq.com。