開關(guān)磁阻電機(jī)全數(shù)字控制系統(tǒng)中FPGA的應(yīng)用

摘要：提出了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)全數(shù)字控制系統(tǒng)，對(duì)DSP和FPGA的功能進(jìn)行了分配。根據(jù)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求，分析控制邏輯，由FPGA實(shí)現(xiàn)了電流斬波、角度位置和PWM電壓斬波相結(jié)合的控制方案。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高效、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；全數(shù)字控制系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0 引言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)是由雙凸極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)、功率變換器、控制器以及檢測(cè)器等組成的一種新型調(diào)速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的直流和交流調(diào)速系統(tǒng)相比較，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)不僅保持了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，運(yùn)行可靠，成本低，效率高。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)全數(shù)字控制系統(tǒng)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(gòu)成硬件控制方案。

由于SRD系統(tǒng)的非線性，使得用普通的定參數(shù)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，控制性能不夠理想。模糊控制是目前應(yīng)用較多的一種智能控制方法，無需被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型即能實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。如今SRM正越來越多的被用于高速甚至超高速場(chǎng)合，這對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也提出了更高的要求。由于FPGA具有現(xiàn)場(chǎng)可編程的特點(diǎn)，并且它使系統(tǒng)內(nèi)可再編程技術(shù)，使系統(tǒng)內(nèi)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(xiàn)，省去了芯片之間的連線，硬件可靠性高，運(yùn)算速度快，所以更適合應(yīng)用于高速電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中。

全數(shù)字化開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制器把高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP和先進(jìn)的模糊控制算法相結(jié)合，把FPGA和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)相結(jié)合，克服了模擬元器件的缺點(diǎn)并且解決了SRM的非線性帶來的一系列問題。

1 SRD系統(tǒng)的組成

SRD主要由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測(cè)器4大部分組成，如圖1所示。SRM是SRD中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD有別于其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。功率變換器向SRM提供運(yùn)轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)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關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

在SRD中，功率變換器是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，通過工作在開關(guān)狀態(tài)執(zhí)行控制輸出信號(hào)，將電源電能在適當(dāng)時(shí)段提供給各相繞組來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此功率變換器的設(shè)計(jì)必須與電機(jī)及控制器一起綜合考慮，使其能協(xié)調(diào)工作。本文采用雙開關(guān)式功率變換器主電路如圖2所示，以IGBT作為主開關(guān)器件，其驅(qū)動(dòng)電路選用IR公司的浮地驅(qū)動(dòng)芯片IR2130實(shí)現(xiàn)。SRM的可控參數(shù)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(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)

由于采用了DSP和FPGA并行處理數(shù)據(jù)和控制的方法，所以需要對(duì)DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)中DSP主要用于模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)，并負(fù)責(zé)模擬量的采集和控制量的輸出，而FPGA完成速度檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、位置細(xì)分等工作。同時(shí)為了保證DSP與FPGA之間正確的數(shù)據(jù)交換，由主要輸出量對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行檢測(cè)。DSP與FPGA之間通過目前電子設(shè)計(jì)中大量采用的FIFO接口聯(lián)系在一起。