BAE公司開(kāi)發(fā)三向無(wú)刷永磁電機的面向現場(chǎng)的控制研究

Author(s):
Brian Mann - Selex-Galileo

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
PXI-7831R, PXI/CompactPCI, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
快速開(kāi)發(fā)出下一代高性能電機控制器的原型。

The Solution:
利用NI PXI平臺、LabVIEW 7Express、LabVIEW 7 FPGA模塊和PXI-7831R型可重配置I/O模塊在Xilinx FPGA芯片上實(shí)現全數字化的電機控制器。

ACEIII檔電流
下一代電機控制器設計
BAE Systems Avionics 公司設計和制造軍事電子和監視系統。為了保持競爭力，航空電子部門(mén)不斷評估新工具和技術(shù)，用于減少新技術(shù)的設計生產(chǎn)間隔時(shí)間。我們在實(shí)驗室里把時(shí)間用在開(kāi)發(fā)硬件和軟件上，這是我們持續成功的關(guān)鍵。

磁場(chǎng)定向控制（FOC），或者矢量控制，是一項新技術(shù)，它可以改進(jìn)各種電機的轉矩- 速度特性，而我們公司的大多數產(chǎn)品都集成了至少一個(gè)直流電機。愛(ài)丁堡的BAE Systems 公司伺服系統技術(shù)集團，對增加峰值功率非常有興趣，因為升級后的電機驅動(dòng)器將為現有的電機提供額外的性能，并且通過(guò)在新設計中減少電機質(zhì)量來(lái)節省航空產(chǎn)品的重量。

同時(shí)，隨著(zhù)FPGA 性能的提高，我們不僅可以使用FPGA 進(jìn)行電機控制，還可以進(jìn)行伺服系統控制。我們使用NI 公司的產(chǎn)品進(jìn)行快速地原型化，顯著(zhù)地降低了新技術(shù)在設計早期帶來(lái)的風(fēng)險。

FOC 技術(shù)
由傳統方波放大器驅動(dòng)的電機受限于整流誤差引起的不理想的轉矩-速度特性和轉矩脈動(dòng)。正弦整流解決了轉矩脈動(dòng)問(wèn)題，并且在低速電機上工作良好。但在速度更高時(shí)，PI 電流控制器必須提高頻率來(lái)跟蹤正弦電流，同時(shí)克服增加頻率和幅度的反電動(dòng)勢問(wèn)題。這將導致相位延遲，由于轉矩產(chǎn)生的通量沒(méi)有以90 度作用于轉子，所以會(huì )造成每安培轉矩的損失。這種影響由轉矩- 速度（TS）圖中的曲線(xiàn)表示?；旧?，TS曲線(xiàn)包含兩條線(xiàn)，水平線(xiàn)是決定最大速度的電壓限制，而垂直方向是決定最大轉矩的電流限制。

我們使用FOC 來(lái)改進(jìn)TS 特性。這種整流方法利用變送器將正弦電流和編碼位置變換至轉動(dòng)轉子的d-q參考幀。d和q部分是直流的，所以很容易使用PI 控制器來(lái)控制它們。再對控制器輸出進(jìn)行反變換，輸出正確相位和幅度的電壓波形以保持通量與轉子的90 度夾角，進(jìn)而獲得最大的電流到轉矩功率轉換。

空間矢量調制和FPGA 實(shí)現
利用全數字化控制，我們可以使用空間矢量調制（SVM）來(lái)解鎖15% 以上的無(wú)負載速度。FOC 控制使得這變?yōu)榭赡?，因為我們不再受限于母線(xiàn)電壓/2的經(jīng)典整流限制了。SVM的三角特性遵循30度、60 度和90 度三角和1、2 及邊長(cháng)，將相對關(guān)系改為母線(xiàn)電壓/。從這個(gè)比例，我們可以計算出母線(xiàn)電壓/2 除以母線(xiàn)電壓/ 等于1.1547，或者說(shuō)15% 的增加。

傳統的FPGA控制算法實(shí)現伴隨著(zhù)巨大的風(fēng)險，因為第一次的物理實(shí)現會(huì )持續服役到產(chǎn)品設計周期的結束。通過(guò)使用NI LabVIEW FPGA Module 軟件進(jìn)行快速控制器原型化，我們甚至可以在開(kāi)始FPGA設計前就開(kāi)始測試和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)實(shí)際的硬件。

我們使用含有定點(diǎn)宏塊集的數學(xué)模型工具包來(lái)仿真FPGA的數學(xué)功能，進(jìn)行算法的開(kāi)發(fā)。我們可以迅速用G代碼來(lái)重寫(xiě)定點(diǎn)算法，并且在NI公司的PXI 平臺或CompactRIO 可重配置控制和采集平臺上運行。在編譯過(guò)程中，硬件描述語(yǔ)言（HDL）的生成、邏輯分析、HDL 仿真以及擺放和布線(xiàn)操作都是完全自動(dòng)化的。VHDL 代碼通過(guò)PXI 機箱的背板，下載到NI PXI-7831R 的Virtex VC2V1000 中。PXI-7831R 提供了8個(gè)16位的模數轉換器、8個(gè)16位的數模轉換器以及96個(gè)晶體管-晶體管邏輯I/O 管腳，用于使用內插式終端卡進(jìn)行快捷的硬件連接。調試也很容易，因為我們可以從任意的FPGA寄存器中讀取數據，并且在運行NI LabVIEW 的主機上顯示結果，而不影響FPGA 的運行。

快速系統組件原型化
我們用于研究新型技術(shù)的快速原型化系統包括了裝有運行LabVIEW 軟件的NI PXI 嵌入式控制器的PXI 機箱和PXI-7831R 可重配置I/O 模塊。我們使用LabVIEW 圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境、LabVIEWFPGA 模塊來(lái)開(kāi)發(fā)所有的系統部件。正如上面描述的那樣，我們直接在主機的LabVIEW環(huán)境中對PXI-7831R FPGA進(jìn)行配置和編程。編譯后的LabVIEW 代碼可以直接下載到FPGA 中。在主機的Windows操作系統下運行的LabVIEW 軟件，提供了系統監測和視覺(jué)化功能，這些也是使用LabVIEW 進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

通過(guò)使用NI 公司的PXI-7831R FPGA，我們使用最少的時(shí)間和儀器投資，向客戶(hù)演示了新技術(shù)。在沒(méi)有VHDL學(xué)習經(jīng)歷的情況下，我們創(chuàng )建了40kHz的實(shí)時(shí)控制器， 遠遠超出了以前使用的單點(diǎn)I/O的性能。