開(kāi)關(guān)磁阻電機全數字控制系統中FPGA的應用

摘要：提出了基于數字信號處理器(DSP)和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機全數字控制系統，對DSP和FPGA的功能進(jìn)行了分配。根據開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的驅動(dòng)要求，分析控制邏輯，由FPGA實(shí)現了電流斬波、角度位置和PWM電壓斬波相結合的控制方案。仿真結果表明，設計的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統具有高效、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機；全數字控制系統；數字信號處理器；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統(SRD)是由雙凸極開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(SRM)、功率變換器、控制器以及檢測器等組成的一種新型調速電動(dòng)機系統。與傳統的直流和交流調速系統相比較，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機不僅保持了感應電動(dòng)機的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，而且電機結構簡(jiǎn)單，控制方便，運行可靠，成本低，效率高。本文設計的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機全數字控制系統選用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作為主控制器，Xilinx公司的FPGA芯片XC2S150E作為輔助控制器構成硬件控制方案。

由于SRD系統的非線(xiàn)性，使得用普通的定參數PID調節器進(jìn)行速度閉環(huán)調節時(shí)，控制性能不夠理想。模糊控制是目前應用較多的一種智能控制方法，無(wú)需被控對象準確的數學(xué)模型即能實(shí)現較好的控制效果。如今SRM正越來(lái)越多的被用于高速甚至超高速場(chǎng)合，這對控制系統的實(shí)時(shí)性也提出了更高的要求。由于FPGA具有現場(chǎng)可編程的特點(diǎn)，并且它使系統內可再編程技術(shù)，使系統內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，省去了芯片之間的連線(xiàn)，硬件可靠性高，運算速度快，所以更適合應用于高速電機的調速系統中。

全數字化開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的控制器把高性能數字信號處理器DSP和先進(jìn)的模糊控制算法相結合，把FPGA和數字電路的設計相結合，克服了模擬元器件的缺點(diǎn)并且解決了SRM的非線(xiàn)性帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

1 SRD系統的組成

SRD主要由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器4大部分組成，如圖1所示。SRM是SRD中實(shí)現機電能量轉換的部件，也是SRD有別于其他電動(dòng)機驅動(dòng)系統的主要標志。功率變換器向SRM提供運轉所需的能量，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)調速系統的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現對SR電機運行狀態(tài)的控制。

在SRD中，功率變換器是整個(gè)系統的重要組成部分，通過(guò)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)執行控制輸出信號，將電源電能在適當時(shí)段提供給各相繞組來(lái)驅動(dòng)轉子旋轉。因此功率變換器的設計必須與電機及控制器一起綜合考慮，使其能協(xié)調工作。本文采用雙開(kāi)關(guān)式功率變換器主電路如圖2所示，以IGBT作為主開(kāi)關(guān)器件，其驅動(dòng)電路選用IR公司的浮地驅動(dòng)芯片IR2130實(shí)現。SRM的可控參數較多，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的全數字調速控制系統

由于采用了DSP和FPGA并行處理數據和控制的方法，所以需要對DSP和FPGA實(shí)現的功能進(jìn)行合理的劃分，圖3是DSP和FPGA之間的接口和功能分配圖。

本設計中DSP主要用于模糊控制算法的實(shí)現，并負責模擬量的采集和控制量的輸出，而FPGA完成速度檢測、驅動(dòng)與保護、位置細分等工作。同時(shí)為了保證DSP與FPGA之間正確的數據交換，由主要輸出量對系統的可靠性進(jìn)行檢測。DSP與FPGA之間通過(guò)目前電子設計中大量采用的FIFO接口聯(lián)系在一起。