用FPGA平臺實(shí)現工業(yè)電機最大效率

　　面對日益嚴格的規范要求以及降低工廠(chǎng)運營(yíng)成本的迫切需求，機械制造商正在尋找提高產(chǎn)品用電效率的解決方案。最大化控制機械設備電機效率的方法眾多，其中之一就是采用效率更高、更先進(jìn)的磁場(chǎng)定向控制技術(shù)來(lái)優(yōu)化用電效率。為實(shí)現上述目的，美國國家儀器公司(NI)的設計團隊采用賽靈思FPGA作為其通用硬件架構——可重構I/O(RIO)的基礎，以推出具有高計算性能的高靈活性嵌入式控制器。

　　RIO架構目前已被用于多款系統中，如EUROelectronics等公司的系統。借助該架構，從產(chǎn)品原型設計到最終機械設備完成，EUROelectronics只用了3個(gè)月的時(shí)間。

　　縮短機械設計時(shí)間

　　無(wú)刷DC和永磁同步AC電機(PMSM)二者通常組成無(wú)刷DC電機(BLDC)，其集成式控制非常復雜，是一個(gè)挑戰。許多機械制造商都缺乏構建嵌入式控制器方面的軟硬件設計經(jīng)驗，難以讓嵌入式控制器在各種類(lèi)型的模擬和數字傳感器上實(shí)時(shí)執行閉環(huán)控制。

　　為了縮短嵌入式機械制造商的最終設計時(shí)間，本文介紹的方案在CompactRIO產(chǎn)品中集成了某種形式的RIO架構。這種基于FPGA的配置包括基于Virtex-5 LX85到Spartan-3的系統，以及基于Virtex-II 1M門(mén)的背板，配合基于PowerPC 603e的處理器，能夠滿(mǎn)足多種頻率和性能需求，如圖1所示。

　　圖1 在CompactRIO產(chǎn)品中集成了某種形式的RIO架構

　　在RIO框架中集成配置軟件實(shí)用程序和動(dòng)態(tài)I/O重構功能可節約設置時(shí)間，而且終端應用編程人員和數字設計工程師還能重復使用有關(guān)資源。配置軟件能自動(dòng)檢測系統中安裝的定制硬件。I/O外設的集成式診斷測試可確保I/O器件正常工作。

　　如果不安裝I/O電路，驅動(dòng)程序軟件及相關(guān)API不能適當執行或返回具體器件的故障，就會(huì )出現問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，軟件開(kāi)發(fā)人員通常會(huì )創(chuàng )建模擬子例程，臨時(shí)替代應用中的I/O電路代碼。這種方法難以立即開(kāi)始應用開(kāi)發(fā)，而且幾乎不能調試代碼。RIO中間件驅動(dòng)程序架構包括相關(guān)功能，可將模擬代碼直接集成到函數驅動(dòng)程序中，從而簡(jiǎn)化代碼的重復使用與故障調試。

　　圖2 嵌入式中間件軟件設計分級圖

　　圖2所示為嵌入式中間件軟件設計分級圖。這種中間件驅動(dòng)程序和系統服務(wù)在成千上萬(wàn)種已經(jīng)部署的機械設計應用中都證實(shí)了自己的功能。并行和多線(xiàn)程安全型嵌入式中間件驅動(dòng)程序是RIO的有機組成部分。機械制造商可同時(shí)從多個(gè)線(xiàn)程調用多線(xiàn)程安全型和可再入函數，同時(shí)還能確保正常工作，避免阻塞現象，這對并行代碼的編寫(xiě)和性能優(yōu)化都是非常重要的特性。不具備可再入執行功能的驅動(dòng)程序會(huì )影響性能，更糟的是還會(huì )導致崩潰。代碼必須等其他線(xiàn)程使用完每個(gè)函數后才能訪(fǎng)問(wèn)函數?？稍偃胄钥杀苊獯a中任何不必要的依賴(lài)性。

　　FPGA控制算法的幫助

　　BLDC和PMSM的定子纏繞方式有別。BLDC的定子旋轉時(shí)其纏繞方式可生成梯形反電勢電壓，而PMSM的電壓則為正弦曲線(xiàn)。

　　BLDC的成本高于A(yíng)C電感電機，但在用高級算法控制情況下其節能性和性能更高。此外，BLDC還具有較高的可擴展性，能滿(mǎn)足極高功率和極高速應用的需求。

　　顧名思義，無(wú)刷DC電機工作時(shí)是不需要電刷的。這就是說(shuō)，電刷所起的轉換作用必須以電子方式實(shí)現。定子線(xiàn)圈順序加電，BLDC電機就能轉動(dòng)了。要計算在某一時(shí)刻哪個(gè)線(xiàn)圈加電，必須了解定子的位置，這通?？赏ㄟ^(guò)在定子中嵌入的三個(gè)霍爾效應感應器來(lái)檢測。綜合這三個(gè)感應器信號，控制電子產(chǎn)品可確定轉換的確切順序。

　　由于無(wú)刷電機的轉子使用永磁而非無(wú)源線(xiàn)圈，其本身提供的功率相對于尺寸、重量相當的電感電機而言要高。不過(guò)，高效運行的關(guān)鍵在于FPGA控制器。FPGA算法控制的效率高于微處理器?？梢允褂枚喾N控制系統算法，包括梯形、正弦和場(chǎng)定向算法(FOC)。

　　梯形或六步控制是最簡(jiǎn)單同時(shí)也是性能最差的方法。就六步轉換的每一步而言，電機驅動(dòng)會(huì )在兩個(gè)線(xiàn)圈之間形成電流通路，而第三個(gè)電機不連接。不過(guò)，轉矩紋波會(huì )產(chǎn)生震動(dòng)、噪聲和機械磨損，并大幅降低伺服性能。

　　FOC也稱(chēng)作矢量控制，能在較高電機速度下提高效率，在正弦控制技術(shù)基礎上更進(jìn)一步。FOC相對于其他控制技術(shù)而言，單位功率輸入可實(shí)現最大轉矩，而且在負載變化時(shí)能精確控制速度，響應速度快。FOC技術(shù)通過(guò)完美保持定子和轉子磁通，即便在瞬態(tài)過(guò)程也能確保最佳效率。

　　探討FOC

　　了解FOC工作原理的方法之一是在腦海中形成一幅完整的坐標參考系轉換過(guò)程畫(huà)面。假設從定子角度來(lái)設想AC電機的工作，可以看到，當正弦輸入電流施加到定子時(shí)，時(shí)變信號會(huì )產(chǎn)生旋轉磁通。轉子速度與旋轉磁通矢量存在一種函數關(guān)系。

　　現在，再從電機內部來(lái)看，假設以等同于定子電流產(chǎn)生的旋轉磁通矢量的速度沿離心器運行，在穩定狀態(tài)下從這個(gè)角度來(lái)觀(guān)察電機，可發(fā)現定子電流好像為常量，且旋轉磁通矢量為固定的。歸根結底，希望控制定子電流，以獲得所需的轉子電流。通過(guò)坐標參考系轉換，可通過(guò)簡(jiǎn)單的PI控制回路控制定子電流，如DC值。

　　FOC算法在后臺發(fā)揮作用，消除時(shí)間和速度的依賴(lài)性，能直接獨立控制磁通量和轉矩。通過(guò)數學(xué)公式(Clarke及Park變換)，可將電機的電子狀態(tài)轉換為時(shí)間不變性旋轉兩軸坐標系。

　　空間矢量脈沖寬度調制(PWM)的高效控制電力電子技術(shù)能最大化電機電源電壓的利用率，同時(shí)最小化諧波損耗。但諧波會(huì )在電機鐵芯中形成消耗能量的渦流，從而大幅降低電機效率。

　　最重要的是，設計人員既可對AC電感與無(wú)刷DC電機采用FOC技術(shù)，以提高其效率和性能，也可將該技術(shù)應用于現有電機，升級控制系統。事實(shí)上，設計人員可通過(guò)FOC等矢量控制技術(shù)來(lái)改進(jìn)AC電感電機，實(shí)現類(lèi)似于伺服電機的性能。

　　FPGA解決FOC面臨的挑戰

　　實(shí)施FOC需要功能強大的計算器件。針對上述要求，FPGA無(wú)疑是電機控制的最佳選擇。FOC系統必須持續以10kHz~100kHz的速度重復計算矢量控制算法。此外，還需在不影響控制算法時(shí)序的情況下并行執行高速PWM輸出等其他IP模塊。利用FPGA自身的并行執行功能和硬件可靠性，FPGA能以高達數十萬(wàn)赫茲的回路速度執行控制算法，而且還有余力來(lái)處理通信，為主機微處理器上的用戶(hù)接口應用提供數據。此外，FPGA還具有可重構性，因此客戶(hù)能隨時(shí)根據需要調整控制算法。

　　圖3 FOC實(shí)施方案的系統圖

　　圖3所示為FOC實(shí)施方案的系統圖。除實(shí)際控制算法之外，FPGA還并行執行IP模塊，以讀取3個(gè)霍爾效應傳感器、1個(gè)編碼器以及3個(gè)其它模擬傳感器的值，同時(shí)生成PWM信號驅動(dòng)外部電子器件給電機供電。如欲與主機處理器及簡(jiǎn)單用戶(hù)接口通信，可并行執行其他IP模塊。

　　圖4所示為基于FPGA的FOC算法實(shí)施LabVIEW FPGA的情況。Clarke變換將120°相移三軸坐標系(Ia, Ib, Ic)轉變?yōu)閮奢S直角坐標系(Ia, Ib)。接著(zhù)，Park變換將固定的坐標系(Ia, Ib)轉換為去耦兩軸旋轉坐標系(Id和Iq)，簡(jiǎn)單的PI控制器就能控制上述旋轉坐標。FOC系統利用逆變換(Park變換和Clarke變換)將其還原到定子線(xiàn)圈的固定AC三相坐標系。

　　圖4 基于FPGA的FOC算法實(shí)施LabVIEW FPGA的情況

　　在評估控制系統的升級時(shí)，機械設計人員通常會(huì )低估耗電成本問(wèn)題，而從機電的整個(gè)生命周期角度來(lái)看，耗電成本往往比硬件購置成本高很多。NI致力于借助基于賽靈思FPGA技術(shù)的商用硬件解決方案成品推出具有高計算性能的高靈活性嵌入式控制器。通過(guò)二者的強強聯(lián)合，能滿(mǎn)足客戶(hù)最苛刻的要求，即FOC性能要求。