永磁同步電機(jī)矢量控制專用集成電路的設(shè)計

摘" 要： 針對軟件矢量控制策略因響應(yīng)慢、成本高而無法滿足永磁同步電機(jī)（PMSM）領(lǐng)域控制新需求的問題，設(shè)計一種矢量控制專用集成電路（ASIC）。采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計芯片架構(gòu)，使用VerilogHDL硬件描述語言設(shè)計矢量控制、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）、電流采樣接口、編碼器接口和串口通信等模塊，通過硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行加速。利用ModelSim平臺仿真驗(yàn)證所設(shè)計電路的功能，以FPGA為核心搭建芯片物理驗(yàn)證平臺，控制PMSM的電流與速度。結(jié)果表明：所設(shè)計的ASIC輸出PWM信號達(dá)到12.2 kHz，雙環(huán)頻率分別達(dá)到12 kHz和8 kHz，具有快速動態(tài)響應(yīng)與良好的穩(wěn)態(tài)特性；且能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、低成本、可移植的電機(jī)控制，在電機(jī)控制領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 永磁同步電機(jī)（PMSM）； 矢量控制； 專用集成電路； 閉環(huán)控制； CORDIC； FPGA； ModelSim驗(yàn)證

中圖分類號： TN492?34" " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）20?0013?07

Design of FOC ASIC for PMSM

TANG Junlong1， GONG Yuanhao1， YANG Shengxi1， YU Hua2

（1. School of Physics amp; Electronic Science， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China;

2. Guangdong Synwit Integrated Circuit Co.， Ltd.， Changsha 410205， China）

Abstract： In allusion to the issues of slow response and high cost of software field?oriented control （FOC） strategies that cannot meet the new control requirements in the field of permanent magnet synchronous motors （PMSM）， an FOC application?specific integrated circuit （ASIC） is designed. The chip architecture is designed based on a dual closed?loop control structure， and VerilogHDL （hardware description language） is used to design modules such as FOC， coordinate rotation digital calculation （CORDIC）， current sampling interface， encoder interface， and serial communication. The parallel acceleration is implemented by means of the hardware architecture. The ModelSim platform is used to simulate and verify the functionality of the designed circuit， and a chip physical verification platform is built with FPGA as the core， so as to control the current and speed of PMSM. The results show that the designed ASIC output PWM signal can reach 12.2 kHz， and the double loop frequency can reach 12 kHz and 8 kHz， respectively， which has fast dynamic response and good steady?state characteristics. It can realize high performance， low cost and portable motor control， and has a certain application value in the field of motor control.

Keywords： permanent magnet synchronous motor; field?oriented control; specific integrated circuit; closed?loop control; CORDIC; FPGA; ModelSim verification

0" 引" 言

隨著交流伺服系統(tǒng)的不斷發(fā)展，永磁同步電機(jī)（PMSM）因強(qiáng)耦合、高效率和高可靠的優(yōu)勢受到市場青睞[1]。在需要高精度控制的應(yīng)用中，電機(jī)驅(qū)動效果取決于控制算法的性能，矢量控制技術(shù)（FOC）通過解耦控制PMSM來實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩，已在屏驅(qū)、家電等高速控制場景中廣泛應(yīng)用[2?3]。然而，矢量控制的實(shí)現(xiàn)需要處理大量非線性運(yùn)算和反饋，依賴于控制系統(tǒng)的計算能力。市場上傳統(tǒng)方案通常采用MCU或DSP以軟件方式執(zhí)行矢量控制，但其響應(yīng)時間慢又消耗大量主控資源，難以滿足電機(jī)日益嚴(yán)格的控制要求[4]。近年來，F(xiàn)PGA因高度并行性和靈活性成為了電機(jī)控制的一種新方案。文獻(xiàn)[5]采用了TMS320型DSP與SPARTAN6型FPGA的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)IPMSM弱磁控制，其中DSP負(fù)責(zé)復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)底層PWM調(diào)制。但該方案復(fù)雜度高且實(shí)時性難以保證。文獻(xiàn)[6]采用模型化方法實(shí)現(xiàn)了高精度浮點(diǎn)PI控制模塊，雖有較好的跟蹤特性但未實(shí)現(xiàn)完整的矢量控制。面對小型高速吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)品對速度穩(wěn)定性、響應(yīng)精度和集成度的更高要求，F(xiàn)PGA方案無法完全滿足。因此將矢量控制算法集成化，不僅能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電流與速度控制，還能顯著提升產(chǎn)品的電機(jī)驅(qū)動性能。

針對電機(jī)控制領(lǐng)域提出的新控制需求，本文基于矢量控制策略設(shè)計了一款永磁同步電機(jī)矢量控制專用集成電路（ASIC），采用速度和電流雙閉環(huán)控制的硬件并行架構(gòu)，使用VerilogHDL硬件描述語言完成各模塊設(shè)計，最后通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證ASIC的各項(xiàng)功能。

1" PMSM矢量控制數(shù)學(xué)模型

矢量控制的核心思想在于通過坐標(biāo)變換將多變量、時變特性的PMSM復(fù)雜系統(tǒng)簡化為直流電機(jī)的線性時不變系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)解耦控制[7]。在空間上建立矢量控制坐標(biāo)軸，定子三相繞組呈120°分布，故設(shè)A?B?C為三相坐標(biāo)系；α?β為靜止坐標(biāo)系，α軸與A軸重合；d?q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，d軸與轉(zhuǎn)子磁場同向，與A軸夾角為旋轉(zhuǎn)電角度θ。FOC坐標(biāo)軸示意圖如圖1所示。

定義定子電流空間矢量為is，在矢量旋轉(zhuǎn)時電機(jī)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，其本質(zhì)是控制is的幅值和相位。矢量自三相坐標(biāo)系向兩相坐標(biāo)系的變換遵循幅值不變原則，由坐標(biāo)投影關(guān)系得矩陣方程：

[iαiβ=231-12-12032-32iaibic] （1）

式中：ia、ib、ic分別為A、B、C軸電流分量；[iα]、[iβ]分別為α、β軸電流分量。由于三相平衡系統(tǒng)中零序電流為0，式（1）簡化為：

[iα=iaiβ=13（ia+2ib）] （2）

矢量從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換的矩陣方程如下：

[idiq=cosθsinθ-sinθcosθiαiβ] （3）

式中id、iq分別為d、q軸電流分量。式（3）實(shí)現(xiàn)定子電流的解耦，在空間上id、iq相互正交，通過獨(dú)立控制得到類似直流電機(jī)的控制效果?？刂坪螽a(chǎn)生d、q軸電壓矢量，需重新旋轉(zhuǎn)回靜止坐標(biāo)系，矩陣方程如下：

[uαiβ=cosθ-sinθsinθcosθuduq]" （4）

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程為：

[Te=1.5Pnψfiq+Ld-Lqidiq] （5）

式中：Pn為磁極對數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；[ψf]為耦合磁鏈。式（5）包括永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分，PMSM控制性能的高低取決于對電磁轉(zhuǎn)矩的控制效果。本文采用id=0控制方法優(yōu)化高耦合度的磁阻轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程簡化為：

[Te=1.5Pnψfiq]" （6）

在式（6）中，電磁轉(zhuǎn)矩完全由永磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，通過調(diào)制直流量iq實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的線性控制。當(dāng)id保持為0，電流矢量is值最小但可獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)控制。

如圖2所示，PMSM矢量控制系統(tǒng)采用電流環(huán)、速度環(huán)組成的雙閉環(huán)控制架構(gòu)。其中，電流環(huán)負(fù)責(zé)執(zhí)行矢量控制運(yùn)算，通過Clark變換、Park變換以及逆Park變換實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換和定子電流解耦，并在d?q坐標(biāo)系下進(jìn)行PI調(diào)節(jié)；最后由空間脈寬調(diào)制（SVPWM）輸出PWM信號驅(qū)動電機(jī)。速度環(huán)負(fù)責(zé)確保電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制，有效抑制外部擾動。

2" 矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖3為矢量控制ASIC的硬件總體框圖。該系統(tǒng)由坐標(biāo)變換、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）、PI控制、SVPWM、電流采樣接口、編碼器接口和串口通信模塊等組成。

本文采用模塊化設(shè)計思想，使用Verilog硬件語言設(shè)計各功能模塊，按具體功能劃分為矢量控制的主要模塊和多個輔助模塊，共同組成閉環(huán)控制架構(gòu)，芯片工作流程如圖4所示。

2.1" 坐標(biāo)變換模塊的設(shè)計

坐標(biāo)變換用于實(shí)現(xiàn)電流矢量的解耦，將三相靜止系定子電流旋轉(zhuǎn)至同步旋轉(zhuǎn)系進(jìn)行線性控制，再轉(zhuǎn)換成靜止系下的實(shí)際電壓矢量。具體過程包括Clark變換、Park變換以及逆Park變換模塊，基于有限狀態(tài)機(jī)（FSM）思想設(shè)計坐標(biāo)變換的控制時序，變換完成時輸出標(biāo)志位脈沖。Clark變換由式（2）給出，式中無理數(shù)由移位累加操作進(jìn)行近似化處理，再調(diào)用乘加器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。Park變換和逆Park變換的模塊結(jié)構(gòu)相似，如式（3）和式（4）所示，實(shí)現(xiàn)所需的邏輯資源相同。

Park變換和逆Park變換的輸入涉及三角函數(shù)的計算，工程中通常使用查找表法實(shí)現(xiàn)，但由于精度缺失與占用資源大，不符合ASIC的設(shè)計理念。本文采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）算法執(zhí)行三角函數(shù)計算，僅通過移位和累加操作的迭代逼近目標(biāo)正余弦值。這種方法以很小的資源消耗即可實(shí)現(xiàn)較高的計算精度，且硬件容易實(shí)現(xiàn)[8?9]。模塊的輸入是來自編碼器接口的電角度值θ，輸出角度值對應(yīng)的正余弦值用于坐標(biāo)變換。

通過向量Pi（xi，yi）旋轉(zhuǎn)角度θ得到Pi+1（xi+1，yi+1），將θ細(xì)分為i個連續(xù)角度θi，單次迭代公式為：

[xi+1=xi-yitanθiyi+1=yi+xitanθi] （7）

使用移位操作代替式（7）中正切值，迭代次數(shù)i與角度θi存在對應(yīng)關(guān)系，即[θi=arctan2-i]，當(dāng)?shù)奂又?5次，此時cos θi已無限接近于1，得到CORDIC迭代公式：

[xi+1=xi-yidi2-i，" x0=Kyi+1=yi+xidi2-i，" y0=0zi+1=zi-diθi，" " " " z0=θ] （8）

式中：di為旋轉(zhuǎn)方向；x0、y0、z0為迭代初始值K、0、θ，且[K=i=015cosθi=0.607 253]。

圖5所示為CORDIC模塊的硬件結(jié)構(gòu)。為提高精度，給定增益值216對迭代角度值進(jìn)行宏定義，并將16次迭代對應(yīng)的角度值依次存儲在ROM中，采用16級流水線優(yōu)化處理時間。

2.2" SVPWM模塊的設(shè)計

考慮空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM算法具有輸出諧波小、電壓利用率高、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[10]，采用SVPWM產(chǎn)生電機(jī)控制所需的PWM驅(qū)動信號。SVPWM模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，逆Park變換輸出的電壓信號uα和uβ是該模塊的輸入，輸出為6路PWM信號。該模塊包括扇區(qū)判斷、矢量作用時間計算、占空比計算、比較寄存器和死區(qū)補(bǔ)償單元等部分。為避免逆變器輸出電壓失真，對T1和T2進(jìn)行過調(diào)制處理。為降低諧波畸變，采用七段式SVPWM生成中心對稱的PWM。同時，考慮到實(shí)際功率器件的非理想特性，配置死區(qū)計數(shù)器來設(shè)置死區(qū)時間，防止器件短路[11]。

2.3" PI控制模塊的設(shè)計

矢量控制系統(tǒng)采用圖2所示的速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)架構(gòu)，環(huán)路控制采用數(shù)字PI控制實(shí)現(xiàn)。PI控制模塊根據(jù)輸入反饋和參考值間的誤差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，速度環(huán)給定轉(zhuǎn)速n*與反饋轉(zhuǎn)速n的轉(zhuǎn)速誤差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到[i*q]作為轉(zhuǎn)矩電流指令，電路環(huán)給定勵磁電流[i*d]為0，對iq與id分別進(jìn)行PI調(diào)節(jié)輸出電壓矢量。對連續(xù)式PI算法進(jìn)行離散化，得到離散PI表達(dá)式為：

[uk=KPek+KIj=0kej] （9）

式中：[ek]為輸入誤差；[uk]為整體輸出；KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)。工程中KP和KI的值通常由電機(jī)的特定參數(shù)確定，常用Ziegler?Nichols法調(diào)制這些參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制性能。

當(dāng)誤差值[ek]過大，積分項(xiàng)誤差的累積會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，除了對整體輸出[uk]限幅之外，還需對積分項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)限幅，即在積分輸出達(dá)到限定值后立即停止積分作用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4" 電流采樣接口模塊的設(shè)計

電流環(huán)所需的反饋電流值由電流采樣接口模塊生成。矢量控制ASIC通過電流傳感器采集電機(jī)模擬電壓，經(jīng)隔離、縮放和濾波后通過AD7606轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該芯片是一款高精度的16位通道高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持SPI與并行通信協(xié)議，采樣轉(zhuǎn)換速率達(dá)200 KSPS，通信原理如圖7所示。

接口通過有限狀態(tài)機(jī)控制復(fù)位、轉(zhuǎn)換、片選、讀取等時序，等待數(shù)據(jù)采集完成，使用移位寄存器進(jìn)行零點(diǎn)漂移校正與存儲，最后以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式輸出反饋電流值。

2.5" 編碼器接口模塊的設(shè)計

編碼器接口模塊由正交解碼和M/T測速單元構(gòu)成，提供反饋信息角度值θ與轉(zhuǎn)速n。PMSM轉(zhuǎn)子上安裝了增量式光電編碼器，電機(jī)運(yùn)動時生成相位差為90°的兩路A、B方波信號和零點(diǎn)索引Z信號。為提高計算精度，對A、B脈沖進(jìn)行四倍頻處理。在正交解碼單元內(nèi)對A、B脈沖間相位關(guān)系確定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向enc_dir，設(shè)置向上/向下計數(shù)器檢測邊沿脈沖累積級數(shù)。當(dāng)A脈沖超前B脈沖，計數(shù)值累加電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，計數(shù)值遞減電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)滿一周產(chǎn)生一個Z脈沖，此時標(biāo)定轉(zhuǎn)子零點(diǎn)。

M/T測速單元計算電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測量方法采用M/T法，該方法在較寬的測速范圍里具有較好的精度[12]。在固定時間對光電編碼器產(chǎn)生的脈沖計數(shù)[Mcnt]和連續(xù)脈沖之間的時間間隔[Tcnt]計數(shù)，設(shè)時鐘脈沖頻率為[fclk]，電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速n表示為：

[n=McntN×fclkTcnt×60=60McntfclkNTcnt] （10）

式中N表示編碼器線數(shù)。利用鎖存器鎖存Mcnt和Tcnt的數(shù)值，調(diào)用乘法器、除法器計算式（10）中的反饋轉(zhuǎn)速值?？紤]到硬件實(shí)現(xiàn)存在不可避免的精度誤差，需對轉(zhuǎn)速值滑動進(jìn)行平均濾波處理，將輸出結(jié)果傳輸至速度環(huán)。

2.6" 串口通信模塊的設(shè)計

串口通信模塊的設(shè)計基于通用異步收發(fā)（UART）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)矢量控制ASIC與上位機(jī)之間的交互，實(shí)現(xiàn)功能包括指令調(diào)度、參數(shù)配置和狀態(tài)檢測[13]。通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，模塊結(jié)構(gòu)如圖8所示。

接收器uart_rx處理上位機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)流，接收緩沖區(qū)rx_ctrl完成幀同步與串并轉(zhuǎn)換，通過握手協(xié)議verity_ok傳輸給參數(shù)設(shè)定模塊獲取關(guān)鍵參數(shù)值。發(fā)送緩沖區(qū)tx_ctrl收集系統(tǒng)狀態(tài)完成并串轉(zhuǎn)換，握手后傳輸至發(fā)送器uart_tx，進(jìn)而發(fā)送給上位機(jī)。

波特率是決定數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵因素，波特率發(fā)生單元select_rx與select_tx支持115 200 b/s的傳輸速度，確保數(shù)據(jù)在收發(fā)兩端穩(wěn)定傳輸。

3" 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證矢量控制ASIC的綜合性能，進(jìn)行ModelSim驗(yàn)證、FPGA驗(yàn)證與邏輯綜合。

3.1" ModelSim驗(yàn)證及分析

部署到開發(fā)板前，對矢量控制ASIC進(jìn)行ModelSim軟件仿真，編寫測試平臺testbench文件驗(yàn)證設(shè)計是否符合需求。設(shè)置時鐘頻率為50 MHz，給定輸入激勵，矢量控制時序圖如圖9所示，PWM波形圖如圖10所示。

圖9中，電流環(huán)在接收使能信號后執(zhí)行矢量控制運(yùn)算，在3 480 ns時輸出第一組完成標(biāo)志位，之后每1 440 ns持續(xù)輸出完成標(biāo)志位。

圖10中，在81 940 ns時，SVPWM生成了6組帶有2 200 ns死區(qū)補(bǔ)償?shù)腜WM信號。電流環(huán)的工作周期由矢量控制運(yùn)算和SVPWM響應(yīng)時間共同決定，因此電流環(huán)最大頻率為12 kHz。同時，輸出的PWM信號頻率約為12.2 kHz。除此之外，速度外環(huán)最大工作頻率達(dá)到8 kHz，這表明矢量控制ASIC響應(yīng)快速且準(zhǔn)確，符合設(shè)計要求。

3.2" FPGA驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證矢量控制ASIC在實(shí)際環(huán)境中的工作性能，將RTL代碼燒錄到FPGA開發(fā)板上進(jìn)行系統(tǒng)級驗(yàn)證。FPGA通過I/O口連接電機(jī)驅(qū)動板以及集成AD7606芯片的電流采集板，與永磁同步電機(jī)組成一個完整的芯片物理驗(yàn)證平臺，如圖11所示。硬件平臺由24 V直流電源供電，在電機(jī)空載下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所用永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。

在Quartus Ⅱ平臺上執(zhí)行綜合、I/O管腳分配、時序約束、生成網(wǎng)表等操作，經(jīng)JTAG接口將配置文件燒錄至FPGA中。工程的系統(tǒng)時鐘設(shè)置為50 MHz，使用嵌入式邏輯分析儀Signal Tap工具捕獲生成的標(biāo)志位和PWM信號，具體運(yùn)行結(jié)果如圖12所示。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能穩(wěn)定生成帶死區(qū)的PWM控制信號，符合工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

在PC端上位機(jī)上發(fā)送電機(jī)運(yùn)行指令，控制電機(jī)啟動和停止。記錄電機(jī)扭矩電流iq、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，將收集的數(shù)據(jù)用軟件繪制成電流階躍響應(yīng)曲線和速度階躍響應(yīng)曲線，如圖13、圖14所示。由于硬件的固有誤差和非理想特性，測量得到的波形存在一定程度的噪聲。

如圖13所示，當(dāng)給定扭矩電流iq指令值為60 mA時，電流從初始狀態(tài)上升到指令值的時間約為2 ms，穩(wěn)態(tài)時維持在-3～3 mA的波動范圍內(nèi)，平均值約為59.7 mA，具有良好的控制精度。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的動態(tài)性能，在50 ms將電流指令值調(diào)整至20 mA。觀察波形看出，盡管扭矩電流在一開始出現(xiàn)短暫的抖振，但在較短時間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

如圖14所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速指令值設(shè)定為368 r/min時，轉(zhuǎn)速從0上升到設(shè)定值的時間約為7 ms。在第一次上升過程中，轉(zhuǎn)速最高達(dá)到390 r/min，最大超調(diào)量為6.2%。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣性，波形顯示轉(zhuǎn)速在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后存在持續(xù)的振蕩現(xiàn)象，而平均轉(zhuǎn)速約為367.65 r/min，能夠較好地跟蹤速度指令值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)具備快速響應(yīng)和良好的穩(wěn)態(tài)性能。

3.3" 綜合分析

完成功能驗(yàn)證后，在110 nm工藝下設(shè)置相關(guān)約束進(jìn)行邏輯綜合，將設(shè)計轉(zhuǎn)為門級網(wǎng)表并生成時序和面積報告。根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的方法定義了設(shè)計指標(biāo)與報告測試指標(biāo)，二者對比結(jié)果如表2所示。

由表2結(jié)果表明，ASIC的時序余量、芯片面積與最高工作頻率均符合設(shè)計要求，為版圖實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

本文所采用的芯片不僅實(shí)現(xiàn)了矢量控制，還集成了電流采樣和串口通信等輔助功能模塊，能作為一個完整的控制系統(tǒng)驅(qū)動PMSM。芯片邏輯資源使用情況如表3所示，可知該ASIC具備足夠的冗余來支持功能擴(kuò)展和系統(tǒng)優(yōu)化。此外，對設(shè)計采用的乘除法器進(jìn)行加速優(yōu)化，能進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。

4" 結(jié)" 語

本文選用永磁同步電機(jī)作為控制對象，采用雙閉環(huán)控制硬件并行架構(gòu)設(shè)計一款專用的矢量控制集成電路。使用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)各功能模塊的開發(fā)與仿真驗(yàn)證，并在FPGA上搭建物理驗(yàn)證平臺來測試控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計的ASIC輸出PWM信號達(dá)到12.2 kHz，雙環(huán)頻率分別達(dá)到12 kHz和8 kHz，系統(tǒng)具有快速動態(tài)響應(yīng)與良好的穩(wěn)態(tài)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、低成本、高可靠的電機(jī)控制效果，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉遠(yuǎn)，劉銘鑫，陳學(xué)永，等.電動汽車用PMSM帶濾波補(bǔ)償三階滑模自抗擾控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2021，25（11）：25?34.

[2] CHI X N， WU C B， WU Q Q， et al. A ripple suppression of sensorless FOC of PMSM electrical drive system based on MRAS [J]. Results in engineering， 2023（2）： 102?110.

[3] 王其軍，楊坤，蘇占彪，等.基于硬件FOC的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（6）：89?91.

[4] BRUNO A， CARUSO M， DITOMMASO A O， et al. Simple and flexible power loss minimizer with low?cost MCU implementation for high?efficiency three?phase induction motor drives [J]. IEEE transactions on industry applications， 2021， 57（2）： 1472?1481.

[5] 劉川，唐濤，王娜，等.基于DSP?FPGA永磁同步電機(jī)MTPA弱磁控制研究[J].電力電子技術(shù)，2021，55（4）：16?19.

[6] 徐淑靜.基于FPGA的并行模糊控制算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所），2022.

[7] BOBIN J V. Performance analysis of optimization based FOC and DTC methods for three phase induction motor [J]. Intelligent automation soft computing， 2023， 35（2）： 2493?2511.

[8] ANKUR C， MAZAD Z， DEEPAK V. A comparative study on CORDIC algorithms and applications [J]. Journal of circuits， systems and computers， 2023， 32（5）： 2330002.

[9] 揭燦，朱曉宇，趙霽.高精度低時延CORDIC算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（7）：171?175.

[10] LUIGI B， ANDREA D， GIAN D L， et al. Implementation of hardware architecture for SVPWM with arbitrary parameters [J]. Electronics newsweekly， 2022（54）： 1.

[11] SIEKLUCKI G， SOBIERAJ S， GROMBA J， et al. Analysis and approximation of THD and torque ripple of induction motor for SVPWM control of VSI [J]. Energies， 2023， 16（12）： 102.

[12] 常廣暉，張亞超，蘇攀，等.一種自適應(yīng)M/T頻率測量方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2022，30（2）：1?6.

[13] 錢超.電機(jī)控制MCU芯片SEP4030的運(yùn)算加速器設(shè)計[D].南京：東南大學(xué)，2022.

[14] KESHAV K， KAUR A. Energy?efficient UART design on FPGA using dynamic voltage scaling for green communication in industrial sector [J]. Wireless communications and mobile computing， 2022（2）： 12?20.

作者簡介：唐俊龍（1973—），男，湖南武岡人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)、集成電路工程。

龔源浩（2000—），男，湖南懷化人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧呻娐饭こ獭?/p>

楊晟熙（1999—），男，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧呻娐饭こ獭?/p>

喻" 華（1984—），男，湖南人，主要從事數(shù)字集成電路設(shè)計。

收稿日期：2024?04?22" " " " " "修回日期：2024?05?24

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.003

引用格式：唐俊龍，龔源浩，楊晟熙，等.永磁同步電機(jī)矢量控制專用集成電路的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：13?19.