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基于FPGA的永磁同步电动机控制器设计与实现
作者：李亚芳
来源：《电子技术与软件工程》2016年第11期
摘 要
介绍了一种基于FPGA的永磁同步电机控制器。通过对永磁同步电机控制器的需求进行分析，确定了系统硬件架构和软件策略。采用Microsemi公司的M2S005型FPGA作为核心器件，搭建了永磁同步电动机控制器。通过对电机电流和转子位置进行采样，，采用磁场定向控制方法实现电动机的控制。试验结果表明设计的系统可实现永磁同步电动机的高精度、宽范围控制。
【关键词】FPGA 永磁同步电机 控制器
电动机作为原动机，已广泛应用于国民经济中的包括制造业、航空航天、检测计量等各行各业，大至冶金企业使用的高达上万千瓦的电动机，小至小功率电机乃至几瓦的微电机，电动机的应用几乎在我们的生活中无处不在。而在各类电动机中，永磁同步电动机与传统工业使用较多的交流异步电机相比，具有效率高、功率因数高、能力指标好、体积小、重量轻、温升小等优势，其节能效果明显且较好的提高了电网的功率因数，因此，已逐渐成为电动机的主流应用方向。
永磁同步电动机必须通过专用控制系统来实现电动机的起动和运转，为达到较高的性能，通常使用数字控制系统来实现。目前使用较多的是以DSP或ARM芯片作为主控芯片，在应用上这两类芯片较为相似，均是通过软件方法实现控制。
FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是在可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，其内部配置的可配置逻辑模块，以及其具备的静态可重复编程和动态系统重构功能，使得硬件功能可以像软件一样通过编程来修改。由于FPGA的功能是由硬件实现，所以烧写在芯片内部的程序不易被解读，这种特性使FPGA可作为知识产权保护的一个重要手段。目前的数字电路应用中，FPGA多作为辅助芯片，实现部分逻辑转换功能，但是，随着材料和制造技术的进一步发展，使得FPGA芯片成本降低、性能提高，部分FPGA产品通过嵌入式的处理器核，可以完全取代DSP成为系统的核心控制芯片。
本文介绍了一种基于FPGA的永磁同步电机控制器。通过对永磁同步电机控制器的需求进行分析，确定了系统硬件架构和软件策略。采用microsemi公司的M2S005型FPGA作为核心器件，搭建了永磁同步电动机控制器。通过对电机电流和转子位置进行采样，采用磁场定向控
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制方法实现电动机的控制。试验结果表明设计的控制器可实现永磁同步电动机的高精度、宽范围控制。
1 控制器构成及基本原理 1.1 系统构成
图1给出了基于FPGA的永磁同步电动机控制系统构成。系统采用FPGA作为核心器件，替代了传统数字控制系统中的DSP或ARM芯片。 1.2 控制原理
系统通过旋转变压器采集永磁同步电动机的位置信息，通过专用解码芯片对位置信息进行解算，并通过并行总线传输给FPGA，用于电机转子转速的计算和矢量控制的角度运算。通过霍尔型电流传感器采集电机相电流，并使用FPGA自带的AD功能对电流进行采样，用于电流闭环运算。
永磁同步电动机的转速控制采用转速、电流双闭环磁场定向（FOC）算法，见图2。磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC）算法是一种用于永磁同步电机的控制方法，具有高效率、优化的动态性能及转矩脉动低等优点，在工业电机控制领域得到广泛的应用。 FOC亦称矢量控制，其基本思路是：模拟直流电机的控制方法进行控制，将三相电动机多变量/非线性/强耦合的系统的数学模型，先简化为常系数线性微分方程组，再换算成常系数代数方程组，写成电压矩阵方程，然后再进行电动机轴系的坐标变换，通过坐标变换和按磁场定向，得到与直流电动机相当的数学模型，即将电流矢量沿磁场定向坐标分解为互相垂直的两个分量——产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，模拟直流电动机那样分别独立控制，得到与直流电动机调速特性一样好的动态响应特性。 2 硬件设计 2.1 主控制板设计
主控制芯片采用Microsemi公司的SmartFusion2系列的M2S005型FPGA芯片。SmartFusion2系列FPGA芯片是Microsemi公司利用快闪技术设计的一系列高性能、低功耗、高可靠性和安全性的FPGA芯片，该芯片提供了ARM_cortex_M3硬核，并配置了片上AD。FPGA芯片主要完成电流及电压的采样转换、转速电流双闭环调节和SVPWM的产生功能。 为保证采样精度，配置了专用AD采样芯片ADC121S101，实现电流采样，并通过串行总线传输给FPGA。电流采样电路见图3。
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此外，主控制板上还集成了电源变换、接触器控制、转变信号解码和传输、PWM驱动信号缓冲、CAN通讯接口和故障信号处理等辅助功能。 2.2 功率单元设计
功率单元主要包括预充电电路、直流母线电容、功率模块及其吸收电路、驱动电路、接触器和传感器。功率单元的设计主要依据直流供电的电压等级及所驱动电机的功率等级进行计算，以选取适当的电路和器件。 3 软件设计 3.1 软件架构
结合选用FPGA芯片的资源和电动机控制功能需求，对软件总体实现功能划分如下，主要电机控制算法的原理框图见图4。
（1）FPGA实现PID控制器（电流闭环和转速闭环均使用）、SVPWM生成、位置及转速计算、故障处理；
（2）嵌入式硬核实现矢量变换（clark、park、inverse park）、流程控制、CAN通讯、采样处理。 3.2 软件流程
电机控制主程序流程见图5。 4 系统试验
依据上述软硬件架构，设计了270V/10kW的永磁同步电动机控制系统，并使用背拖电机试验台进行了系统加载试验和性能试验。试验转速波形见图6，电流波形见图7。试验达到的指标见表1。 5 结论
本文介绍了一种基于FPGA的永磁同步电机控制器。通过对永磁同步电机控制器的需求进行分析，确定了系统硬件架构和软件策略。采用microsemi公司的M2S005型FPGA作为核心器件，搭建了永磁同步电动机控制器。通过对电机电流和转子位置进行采样，，采用磁场定向控制方法实现电动机的控制。试验结果表明设计的系统可实现永磁同步电动机的高精度、宽范围控制。 参考文献