（电机与电器专业论文）基于fpga的永磁电机控制系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的水磁屯机控制系统的研究 a b s t r a c t w i t l ln l ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l sa l l d t e c h n o l o g 圬m ed e s i g n 锄dc o n t r o lo f p e n i l a i l e l l tm a 鲈c tm o t o rh a v eb e 既g f e a t l yi m p r o v e d t h ed i 舀t a lc o n 的l l e ro f p e n n a n e n tm a 髓e tm o t o rl l s i n gm c u0 rd s ph a sr 印l a c e dm ea i l a l o gc o i l 仃o l l e r s y s t e m 舯d u a l l y 7 n l ec o n 仃o l l e rb a s e do nf i e l dp r 0 莎a i l 彻a b l eg a t ea m y ( f p g a ) o f f 如s i 鲥1 f i c a n ta d v 孤t a g eo v e rm em c ub a s e ds o l u t i o ni nt h ea r e ao fi n t e 删0 1 1 ， l l i g l ls p e e d 锄dn e x i b i l i 吼w i t haf p g a ，c a l c u l a t i o n sw h i c hw o u l dn o 肌a l l yc o n s 啪e l a r g e 锄o u l l t so fc p ut i m ew h e ni m p l 锄锄t e di i ls o 疗w a f em a yb eh a r d w a r c a c c e l e r a t c d i i lm o t i d rc o r l t r o la p p l i c a t i o i l s ，m ed e s i 踟w i mf p g ai sb e c o m i n gm o r e a n dm o r ep o p u l a t h i sp a p e rp r e s e n t sn l ea d v 觚t a g eo ff p g ab a s e dm o t o rc o m r o ls y s t 锄 c o m p a r e dw i mt h e 仃a d i t i o n a lc o m r o l t e c h n 0 1 0 9 yo fb l d c m ( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 1 1 1 ek e yp o i n t so fd e s i 嘶n gaf p g ab a s e db l d c m c o n t r 0 1 1 s u c ha sp i ( p r o p o r t i o n i n t e 黟a t i o n ) r e g u l a t o r ，p w m ( p u l s ew i d t l lm o d u l a t o r ) m o d u l e ，s p e e ds e n s o r i n g m o d u l e ，w e r ei n 仃0 d u c e di nd e t a i l t l l ew h o l ef p g ac o n 仃o l l e rs y s t e i i lw 嬲b u i l d u s i n gv e r i l o gh d lw i mm i i l i m 啪p e r i p h e r a lh a r d w a r e t h es p e e dr e g u l a t i o n p e r f o m l 肌c e so ft h ef p g a b a s e db l d c mc o n t r o ls y s t e mw e r et e s t e db ye x p 砸m e i l t s m o r e v t 、os e t so fs p e e dc o n 仃0 1 1 e db l d c m “v e sw e r ei m p l 锄e n t e du s i n gs i n 酉e f p g a 1 1 1 es i m u l a t i o na n d e x p 嘶m e n t a lr e s u l t ss 1 1 0 wt h a tu s i n gf p g a i nm u l t i - m o t o r c o i l 仃o ls y s t e mh a so b v i o u sa d v a n t a g e st h a i l 仃a 【d i t i o n a lm c u0 rd sp t h ep 确m l a n c e so fs p e e dc o n t r o l l o db m s h l e s sd cd r i v ew e r ei n n u e n c e db y p u l s ew i d t hm o d u l a t o r s c v e r a ld i 脓e n tp w mm e m o d sw e r ei r n p l 锄吼t e d b a s e do n f p g ap l a t f o n n t i l er e a s o no ft h er e v c r s ed c - l i n kc l 珊e n to fb l d c md u r i n g c o i l l 】 i l u t a t i o n 、阮sa i l a l y z e d ，锄dw a sv 嘶矗e db ye x p 甜m e n t s 1 1 ：l i sp 印e ra l s oi n 们d u c 髓an e w p o p u l a rf p g ad e s i g nm e m o d x s gf p g a d e s i 印，w h i c hi sa d g eb e t w e e nf p g ad e s i 盟a n dm a t l a bt o o l s x s gp r o v i d e s 姐m e r a c t i v e 蓼a p l l i c a le i l v 砷砌e i l ta i l dac u s t o i i l i z a b l es e to f b l o c kl i b 谢e st l l a tl e t p e o p l ed e s i 趴s i m u l a t e ，锄dt c s taf p g ac o n 呐1 翌旧锄ne a s i l y1 1 1 es i m u l a t i o nb a s c x i o nx s g s i m u l i i l l 【i sv e r ) ，d i f 】h e n tf b o mm e8 i n l u l a t i o nu s i n gm a t l a b s i m u l i n k i i i 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 s y s t 锄h d lc o d ec a i lb ec r e a t e d 饷mx s g s i l u l a t i o ns y s t e i i l ，锄dc a nb ed o w l d o a d t 0af p g ac h i pd i r e c t l y t l l i sp 印e rp r e s e n t st h em a i na l g o r i t l l i l l so fp m s m v e c t o r c o n 舡o ls y s t 锨b a s e do nf p g au s i n gx s g s i m u l i 咄砌c hw a sv a l i d a t e db y s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：p 锄a i l e n tm 删m 0 t o r ；f p g a ；c o n 仃o l ； m u l t im 0 t o r ；p w m ； 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 致谢 转眼硕士阶段即将结束，在本论文完成之际，我心中感概颇多。首先我要感 谢我的导师邱建琪副教授，向邱老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。在硕士期间， 邱老师对我谆谆教诲，关怀备至。从硕士阶段开始时研究方向的制定，到硕士期 间每一次的实验、讨论，再到毕业时论文撰写、修改、定稿，邱老师都给我很大 的帮助。在做实验时，邱老师常常亲自给我示范，每当我遇到问题都耐心仔细解 答，使我受益匪浅。邱老师不仅教会我严谨求实的做学问的态度，更教会我认真 做人的道理。在生活上，每当我感到困惑时，与邱老师的谈话都会令我重新振作 起来，继续向前。很庆幸能跟随邱老师度过我的硕士生涯，再次感谢老师! 我还要感谢沈建新教授，史涔激副教授，张爱国老师，金孟加老师，这些老 师在我的生活和学习中给了我很大的帮助，在我进行科研的过程中给了我很多有 益的建议。 硕士期间，实验室的王凯博士、汪昱、王利利、方宗喜、李杭新、王灿飞、 刘嘉明、瞿亮、郝鹤、夏冰、林天散、吴俊、呼明亮等等，这些同学在生活中带 给我很多欢乐，在学习中也给我帮助很多，同样要感谢他们。我还要感谢0 7 级电 机硕士班全体同学，感谢这些同学平时给我的帮助与关心。硕士期间与他们建立 起来的友谊我会铭记在心。 我要感谢我的父母，感谢他们这么些年来默默辛苦的为我付出，感谢他们养 育了我、培养了我。没有他们辛勤的付出，就没有我的今天。愿他们身体健康! 感谢我的亲人和女友，感谢他们的关心和付出，是他们支持我鼓励我，让我能全 身心的投入到学习中去，顺利完成硕士阶段的学习。 衷心的感谢1 2 0 1 0 年1 月于西子湖畔浙大求是园 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的水磁电机控制系统的研究 第一章绪论 1 1 永磁电机的发展【1 】【2 】 电机是进行机械能和电能相互转换的电磁装置，在工业生产和人们生活中发 挥着重要的作用。随着经济的发展，科学技术的进步，人们对于电机性能的要求 越来越高。永磁材料的研发以及电力电子器件技术的进步，使得永磁电机的研发 和控制都有了快速的发展与传统电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单，运 行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等 显著优点。在一些场合，传统的电励磁电机已经被永磁电机取代。目前永磁电机 的功率等级很多，可以满足各个行业的发展要求，应用越来越广泛。 永磁电机一般可以分为永磁有刷直流电机和永磁无刷电机两种类型。永磁无 刷电机根据电机反电动势波形和供电电流波形的不同可以分为方波形永磁无刷 直流电机( b l d c m ) 和正弦波形永磁同步电机( p m s m ) 两大类。本文在后面 的研究中涉及到的永磁电机也主要是针对这两大类。 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的，我国在古代就发现永磁材 料的磁性特征，制造出对后来的航海业的发展起到重大推动作用的指南针。1 9 世纪2 0 年代科学家制造出世界上第一台电机，这台电机就是由天然磁铁矿石产 生励磁磁场的永磁电机。不过天然磁铁矿石材料制造的电机，磁能密度很低，造 成电机的体积非常庞大，不久就被电励磁的电机所取代。随着新的电流冲磁器的 发明，永磁材料的磁能密度得到了大大提高。最初的碳钢、钨钢最大磁能积约为 2 7 k j m 3 ，现在第三代稀土材料的永磁体一一钕铁硼，在实验室中最大磁能积已 经达到了4 3 1 3u m 3 。 伴随着稀土永磁材料的发展，稀土永磁电机也相应可以分为三个阶段。2 0 世纪6 0 年代后期到7 0 年代，由于稀土材料价格昂贵，永磁电机主要应用于航空 航天领域8 0 年代，钕铁硼材料出现，永磁电机开始应用于工业和一些民用领 域。9 0 年代以来，钕铁硼材料的特性进一步得到提高，电力电子器件的发展也 非常迅速，永磁电机开发的经验也越来越丰富。永磁电机的发展又揭开了新的篇 章。一方面，大功率、高功能电机不断出现；另一方面，研究永磁电机设计及控 制的文献不断出现，形成了永磁电机分析设计的一整套计算机辅助软件。 我国拥有丰富的稀土资源，世界上目前探明的稀土资源工业储量为1 1 2 3 5 万 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 吨，中国为5 2 0 0 万吨，占4 6 ，其次分别为前苏联、美国、澳大利亚等国家。 发展永磁电机，我国具有重要的优势。 1 2f p g a 在永磁电机控制系统中的应用 1 2 1 电力电子器件的发展【3 】【4 】【5 】 电力电子器件是电机控制中重要的元件。自从1 9 5 8 年美国通用公司发明世 界上第一个普通晶闸管开始，电能的变换和控制就进入了从旋转的变流机组和静 止的离子变流器进入由半导体器件构成的变流器时代。半导体器件发展非常迅 速，2 0 世纪4 0 年代产生了大功率二极管，6 0 年代出现晶闸管，7 0 年代出现称 之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管( g t o ) 、功率场效应管 ( m o s f e t ) 等，8 0 年代出现了以绝缘栅双极型晶体管为代表的半导体器件， 8 0 年代后期功率半导体器件开始模块化、集成化。这些电力电子器件一经发明， 便很快的被应用到工业控制中，大大促进了电机控制技术的发展。 1 2 2f p g a 在永磁电机控制系统中应用的发展 自从第一台电机发明以来，电机控制理论就不断得到发展。现代电机控制一 方面要求实现电机低成本运行，另一方面又要求电机在各种恶劣条件下可靠性运 行。如何降低电机控制器成本同时又实现电机可靠稳定运行，一直是科学家们关 注的焦点【6 】【7 】。 永磁电机的控制器最早是由模拟器件搭建而成，这种控制器设计复杂，器件 繁多，适应性不强。随着单片机( m c u ) 出现，数字控制技术发展，m c u 被大 量应用于电机控制，基于m c u 的永磁电机控制技术也得到了很大的发展。但是 由于单片机本身资源和计算速度的限制，一些高性能的电机控制算法，如矢量控 制等，都不能很好的实现，制约了永磁电机的应用数字信号处理器( d s p ) 是 基于哈佛结构，数据处理速度大大提高，资源也较单片机有了很大提高，在算法 实现方面较单片机具有明显的优势，越来越多的用户开始使用d s p 代替单片机 完成电机控制。基于d s p 的专用电机控制电路也取得了很大的发展。随着电子 技术的发展，一些领域需要电机与外界进行通讯，还有一些领域需要多台电机协 同控制，这时d s p 又不能满足电机控制的要求 近年来，基于现场可编程门阵列( f p g a 一一f i e l dp r 0 留a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的电机控制得到越来越多的关注。f p g a 是在以前的可编程逻辑器件的基础上发 2 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 展出来的，属于可编程逻辑器件的一种，在2 0 世纪9 0 年代获得突飞猛进的发展， 目前已经成为实现数字系统的主流平台之一【8 】【9 】。1 9 8 4 年x i l i l l ) 【公司制造出全球 第一款f p g a 芯片，在业内产生重要影响。现在其开发的产品从低端到高端都有， 满足了不同客户需求，在整个f p g a 市场中占到了约5 0 的份额。另一家大的 f p g a 生产厂商是a 1 t e f a 公司灿t e r a 公司也生产出一系列自己的f p g a 产品。 这些公司生产的高端f p g a 涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、 复杂计算及嵌入式系统设计技术的全部内容。现在的f p g a 不仅实现了软件需求 和硬件设计的完美集合，还实现了高速与灵活性的完美结合，使其超越了a s i c 器件的性能和规模，也超越了传统意义上的f p g a 的概念【8 】f p g a 已经广泛的 应用在通信领域，尤其在高速通信领域。在工业控制领域，f p g a 虽然起步较晚， 但是发展势头迅猛【1 0 1 。 基于f p g a 的电机控制技术在国外已经有很多人在研究，相关的文献也很 多。一些学者不仅在f p g a 中实现了一些简单的电机控制算法，如：p i 算法等， 还基于f p g a 开发出一些智能算法，研究出基于电机控制的智能i p 核【1 1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 1 。 这些讲核可以在不同的系统中方便的移植，大大缩短了设计周期。国内对于 f p g a 电机控制器的研究起步较晚，但是发展也很快。如基于f p g a 的步进电机、 交流伺服电机、无刷直流电机控制器都有研究机构进行了很好的研究 【1 5 】【1 6 】【l 刀【1 8 】【1 9 】 1 2 3f p g a 在永磁电机控制系统中应用的优点 基于f p g a 的电机控制器与传统控制器相比具有以下优点： ( 1 ) 设计周期短，可移植性好。基于f p g a 的设计一般采用自上而下的设计 方法，各个模块可以独立设计。编好的程序可以在软件中仿真，也可以直接在 f p g a 平台中在线仿真。f p g a 支持现场可编程，一旦发现问题可以及时修改， 产品的设计周期减短。现代e d a 技术发展迅速，各大f p g a 生产厂商都推出了 各自的设计套件，如：) ( i l i l l ) 【的i s e ，a l t e r a 的q u r t a si i 等。这些设计软件都是 使用通用的硬件编程语言，可移植性强，在不同的f p g a 平台上设计出来的程序 可以直接移植。 ( 2 ) 控制器接口灵活。f p g a 很大的优势就是可编程，每个i o 口都可以根 据用户自己的意愿设计。而现在无论是d s p 还是单片机，其用户可以自由支配 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 的端口数目都有限。一些功能只能由特定端口实现，如在电机控制中p w m 波形 产生端口，这些在d s p 出厂时已经由生产厂商设定了，用户不能自由的增加或 是删减。在多台电机协同工作时，需要控制器提供很多p w m 端口，一般的单片 f p g a 就可以满足用户需求，而如果使用单片机或是d s p ，则需要两块或是更多 块。 ( 3 ) 计算速度更快。在单片机或是d s p 中，整个程序需要从头到尾依次执 行，每句执行时都会耗费一定的计算时间，这样如果程序语句很多，就会消耗很 多的时间。单独的提高d s p 或是单片机的时钟频率又会带来电磁干扰等问题。 在高速电机控制器设计时，一些d s p 已经难以满足要求。f p g a 的编程语言是 硬件语言，经过编程软件综合映射，下载到f p g a 中，f p g a 就会直接用硬件电 路去实现程序。在实际的程序里各个模块可以按照设计者设定同时并列运行，不 存在编程语言顺序执行的问题，能节省很多的时间。另外，f p g a 的编程语言都 是硬件实现，在一定程度上也提高了系统的可靠性。在一些环境恶劣的地方，比 d s p 等软件实现的方法更有优势。 ( 4 ) 易于实现电机控制专用数字芯片。f p g a 设计是可编程的灵活的数字设 计。不同于其他的硬件电路，f p g a 设计可以反复在线调试，工程师可以根据实 验情况及时修改f p g a 程序，不必改变外围电路，直到设计达到目标要求。在 f p g a 中设计的电机控制器，经过验证可以直接生产出对应的数字控制芯片，可 以大大缩短专用电机控制芯片设计时间和开发成本。 现代高端的f p g a 中不仅集成了d s p ，更有一些集成了c p u 内核，时钟频 率可以做到几个g h z 。这些硬件内核的出现大大增强了f p g a 数字信号处理和 算法实现的能力，在很多领域已经开始取代d s p 。f p g a 生产厂商也会免费提供 一些i p 核，这些i p 核可以实现特定的功能，如f i f o 、除法、数字滤波等等。 核都是由专业人员编制，并经过验证，可配置性强。用户可以根据自己的需要添 加到设计的程序里，缩短编程时间，增强程序可读性和可靠性。由此可见，基于 f p g a 的永磁电机控制具有很大的发展前景。 1 3 本文研究的主要内容及章节安排 基于f p g a 的永磁电机控制技术是全数字化电机控制的新趋势。电机控制 算法通过硬件描述语言转换为实际的硬件电路实现，其实现与传统的单片机 4 浙江大学硕上学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 ( m c u ) 或者d s p 实现有很大的区别。本文对基于f p g a 的永磁电机控制技术 进行了深入研究，涉及的永磁电机包括方波形永磁无刷直流电机( b l d c m ) 和 正弦波形永磁同步电机( p m s m ) 两类。本文主要章节安排如下： 第二章首先介绍了传统的永磁无刷直流电机控制的原理及控制系统组成，在 此基础上详细介绍了基于f p g a 的永磁无刷直流电机速度闭环控制系统的硬件 电路，其中重点介绍了实验中所使用的f p g a 芯片及其特点。 第三章介绍了f p g a 的设计开发软件i s e ，阐述了基于i s e 的f p g a 设计 流程，并将其与传统的设计方法进行比较，说明这种设计方法的特点。详细介绍 了基于f p g a 实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的各个主要环节的设计开发， 包括数字p w m ，p i 等环节的f p g a 编程实现。在充分发挥f p g a 功能的前提下， 将更多的功能，如：速度采集电路等，用f p g a 去实现，减少系统的硬件开销， 从而降低系统的成本。本文首先在一块f p g a 芯片中实现单台永磁无刷直流电机 的速度闭环控制，然后在一块f p g a 芯片上实现多台永磁无刷直流电机的控制。 在本章的最后对基于f p g a 的单台和多台永磁无刷直流电机速度闭环控制系统 进行了实验验证。 第四章在实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的基础上，详细分析采用不 同的p w m 调制方式对母线电流的影响在f p g a 中实现各种p w m 调制方式， 从理论上分析了不同的p w m 调制方式对母线电流的影响，接着基于f p g a 平台 在实验中对理论分析进行了验证。 在第五章本文重点介绍了永磁同步电机的x s g s i i n u l i i l k 的混合仿真。x s g 是一种新型、快捷的f p g a 设计方法。x s g 建立的仿真相当于一种硬件在线仿 真，仿真的模型可以直接生成相应的硬件编程语言，这些语言经过综合实现后可 以直接下载到f p g a 中运行这一部分介绍了x s g 工具的使用方法，以及使用 x s g 进行f p g a 设计编程的优点。详细介绍如何在m a t l a b 环境中建立p m s m 矢量控制的x s g s i m u l i n k 混合仿真系统，重点介绍了控制系统中各个环节，包 括s v p w m ( 正弦电压型脉宽调制) ，p a r k 变换，c l 破变换以及p i 调节器的x s g 编程实现等。 文章最后对本文所作工作和不足进行了总结，并对下一步工作进行了展望 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 第二章基于f p g a 的永磁无刷直流电机控制系统硬件电路 2 1 无刷直流电机的控制原理【1 】【2 1 永磁同步电动机按照供电电流波形的不同，可以分为矩形波永磁同步电动机 和正弦波永磁同步电动机( 简称永磁同步电动机) 。矩形波永磁同步电动机又称 为永磁无刷直流电动机。无刷直流电动机是在有刷直流电动机基础上发展起来 的，有刷直流电机由于其控制简单，在工农业生产中得到广泛应用。但是由于换 相器的存在，有刷直流动电机存在换相火花，给电机的维护和安全带来很大的不 便。早在1 9 1 7 年，b 0 1 i g e r 就提出了使用整流管代替有刷直流电机的机械换相器。 1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等人首次申请了使用晶体管换相电路代替有刷直流 电机电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。1 9 7 5 年，在n a s a 的报告中首 次提到了无刷直流电机。 无刷直流电动机运行原理可以借鉴有刷直流电动机的分析方法。理想的情况 下假设永磁体在气隙中产生的磁通密度呈矩形波分布，在空间占据1 8 0 0 ( 电角 度1 ；电枢反应磁场很小；定子中通入三相对称的矩形波电流，定子绕组为6 0 0 相带的集中整距绕组。这种情况下气隙合成磁动势为恒定的矩形波，其气隙磁密 曲线如图2 1 所示。 瓷b i 万l 2 万 v 图2 1 理想无刷直流电动机的气隙磁密曲线 由图2 1 可以得到整距集中定子绕组的相磁链为 、壬，p ) = 磁链的最大值 ( ，一冲。 ( 讲抑。 、王，。= 口子f l 三矿 6 o 秒刀 ( 2 1 ) 万1 9 2 万 ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 式中一一定子绕组每相串联匝数；见一一永磁体产生的磁密。 由式( 2 1 ) 可以得到每相定子绕组中的反电动势 e = 髀防锌扣国 协3 ， 由于在任一时刻只有两相绕组通电，且在理想情况下，相电流与相应的相反 电动势同相，此时电动机的电磁转矩可以表示为 乙= 2 e ，w 昙= 昙胛。，o c ( 2 q c 上， 由于电动机换相时间很短，忽略换相时电动机定子绕组电感上的电压降，理 想情况下稳态时电动机的电压方程式可以表示为 u = 2 尺l ，d c + 2 e 。= 2 r l ，d c + 二、王，。国 ( 2 5 ) 式中 蜀一一电动机定子绕组相电阻；驴一一电动机的端电压。 由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可以得到电动机转矩转速特性方程 。( ，一专) 协6 ， 式中舻考；= 妻删t = 芸 在式( 2 6 ) 中可以看出，通过改变最大磁链和电动机的端电压就可以达到 调节无刷直流电动机转速的目的，这种特性与有刷直流电动机非常相似。这也正 是矩形波永磁同步电动机被称为无刷直流电动机的原因。 2 2 无刷直流电动机的控制系统【2 0 】【2 1 】【2 2 】 无刷直流电动机的控制系统一般包括三部分：无刷直流电动机本体、驱动控 制器和位置传感器。典型的无刷直流电动机的控制系统可以用框图2 2 表示 一“j i j 叫n ! 一 一 悭 r l = = 三j 。 “j 【j 位置 传感器 一f l 一j 图2 2 无刷直流电机控制系统框图 7 浙江大学硕上学位论文 摹于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 位置传感器有很多种，现在使用较多是霍尔传感器。电机在旋转时气隙会产 生周期变化的磁场，霍尔元件中的自由电子在变化的磁场中就产生变化的电流。 电流转化为霍尔元件电压的输出，电压经过放大就可以得到电机转子的位置信 号。霍尔传感器按照在空间安放的电角度不同可以分为1 2 0 0 和6 0 0 两种方式，其 安放位置如图2 3 所示。 vh a i lavh a l la 1 2 0 01 2 0 0 图2 3 ( a ) 霍尔按照1 2 0 0 电角度安放( b ) 霍尔按照6 0 0 电角度安放 根据霍尔传感器的电压信号就可以知道电机的位置，从而对电机实现控制 【2 3 1 。霍尔信号与相反电势之间的对应关系如图2 4 所示。 i i 一 i i a i i 脚t 、 ， 曲 j 伯ii 。，。高 e c 7 t 。 i i c 。l 赢 h a l i la h a la j ： ；i i a 啦- c ； o o3 0 6 扣9 0 01 2 0 01 5 0 d1 8 0 02 l o d2 j 俨2 ；o d3 j o o3 3 0 0 3 6 0 0 图2 4 无刷直沈电机相反电势与霍尔信号对应关系 位置传感器产生的位置信号，经过控制器的环分电路产生对应功率晶体管的 开通和关断的驱动信号。这些信号经过光电隔离后送到功率晶体管的驱动，就可 以控制无刷直流电机的运行了在驱动信号上叠加上高频p w m 信号就可以实现 电机的无级调速。 2 3 基于f p g a 的永磁无刷直流电机控制系统硬件电路 在设计f p g a 的无刷直流电机控制系统过程中，在实现f p g a 对无刷直流 电机进行速度闭环控制时，尽量减少系统的硬件开销，本文中将速度检测电路采 斯 学砸学位论文 基于f p g 的永碓电机挖制系统的研究 用f p g a 去实现，省去了速度测量的硬件电路整个f p g a 控制的无刷直流电 机速度闭环系统硬件框图如图2 5 所示 f p g a s p a 8 碍舻s 4 0 0 圜磬hi j j 囤( 目25 基ff p g a 自q 直魂电机控制幕坑硬件推雷 23 1x i l i n x 的s p a r ， a n 3 系列芯片介绍【8 1 2 4 1 x l i l l l ) 【是全球最早的f p g a 生产厂商，也是目前最大的f p g a 制造厂商。 x l i h 公司推出了一系列从低端到高端的f p g a 芯片，s p a r l a n 3 系列f p g a 芯片是性价比很高的芯片，在一些资源要求不多的地方完全能满足设计要求。本 文中就采用了s 队砌州3 系列f p 6 a 中的x c 3 s 4 0 0 p q 2 0 8 现在的f p g a 芯片 都是基于查找表结构，但是其性能已经远远超出了普通查找表的概念。f p g a 芯 片内都主要由六部分组成：输精出单元( i o b ) 、基本可编程逻辑单元( c l b ) 、 时钟管理( d c m ) 、嵌入式块r a m 、丰富的布线资菲、内嵌的底层功能单元和 内嵌专用硬件单元。f p g a 芯片的内部结构如图2 6 所示 圈 黑 l刨 t 鼻一 肝哥 垤 h 一 m 二 岳 舟 母捶 、t j 圉函囱 目26f p g 自结扮 每个部分的功能简要的介绍如下。 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 1 输入输出单元( i o b ) f p g a 的输入输出单元是可以编程的，典型的l o b 内部包含存储器、可编程 缓冲器、可编程延时线、可编程偏置等等。用户可以根据自己的需要对i o 单元 进行编程，满足不同的电气特性下对不同的输入输出驱动的匹配。在f p g a 内 部i o b 被划分成不同的b 诎，每个b a i l l 【有独立的接口标准，一个b a l l l ( 中的供 电电压相同。x c 3 s 4 0 0 p q 2 0 8 最大的用户可配置i o b 数目有2 6 4 个，分成八个 b 诎。每个i o b 都支持数据双向传输，且每个i o b 都具有数字控制阻抗在线自 动匹配功能，简化了p c b 版图设计。单个i o b 的传速率可以达到6 2 2 m b s 。 2 可配置逻辑模块( c l b ) 可配置逻辑模块( c o n f i g u r a b l el o 西cb l o c b ) 是f p g a 的基本逻辑单元。每 个c l b 由几个内部互联的s l i c e 和开关矩阵组成。在s p a r l r a n 3 系列中每个c l b 里面都有四个s l i c e 。每个s l i c e 都是由两个查找表函数发生器、两个存储单元、 函数复用器、进位逻辑和算术逻辑单元。每个c l b 不仅可以实现组合逻辑、时 序逻辑，在用户需要时还可以配置成分布式的洲和分布式r o m 。 x c 3 s 4 0 0 p q 2 0 8 中具有8 9 6 个c l b ，典型的c l b 结构如图2 7 所示。 十c o u t c i n 图2 7 典型的c l b 结构 3 数字时钟管理模块( d c m ) s p a r t a n 3 系列f p g a 芯片提供了灵活的数字时钟管理单元( d i 西t a lc l o c k m a i l a g e r ) 。数字管理器中有数字锁相环电路，方便用户消去时钟抖动，在一定 的范围内对输入时钟进行倍频和分频，也可以实现对时钟的移相。这些功能在数 字电路设计时非常有用。 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 d f m k 1 n r 、n 口r l- _ _ 一 p s e n - p s d o n e ：= ：t h g t r l t m t l l ：lp h a s e c i o c k d d a y 正 _ _ _ _ 一 - c l k o c l k i n l - c l k 9 0 营 “j ，奢 l 罚j 。c l k l 8 0 一彳p p 。c l k 2 7 0 售7 f 蕾 芎i 喜i - c l k 2 x i 凸 6 c l k 2 x 1 8 0 。c l k d v 一- c l k f x d f s 加c l k f x l 8 0 d l l ” s t a n 巧- l o c k e d i 璐t l o 面cs t a l u s 【7 ：o 】 图2 8d c m 功能不愿图 4 嵌入式的块洲( b l o c k 洲) f p g a 内嵌了块r a m ，大大方便了用户也拓展了f p g a 的用途。b 1 0 c kr a m 可以配置成单端口r a m 、双端口洲、内存地址存储器以及f i f o 等常用的存 储结构。不同的f p g a 中的删容量不同，可以根据需要选用不同的存储深度 和位宽。s p a k r a n 3 系列所有的f p g a 芯片都支持块r a m ，这些块洲都是 同步可配置。块r a m 在存储时比分布式r a m 更加灵活，且效率更高。 w r i t e w r i t e r e a d 芑 s p a r t a n 3 t 。 d u a lp o r t o 厶山 b l o c kr a m c e r s t - l 图2 1 0s 雕测r a n 3 芯片中1 8 b i 觚1 8 b i 协硬件乘法器 s p a r t a n 3 系列f p g a 芯片性价比高，适合应用于消费类电子产品，在工 业控制领域也有独特的优势。 2 3 2f p g a 的配置芯片【2 4 】 f p g a 都是通过仿真软件将写好的程序生成的比特流文件下载到内部的配 置存储单元中去。f p g a 配置过程是通过j t a g 下载线连接到专用的配置管脚来 进行的。f p g a 的配置方式有很多种，用户可以根据项目的需要自行选择。常用 的配置模式有从串模式( s l a v es 甜a 1m o d e ) 、主串模式( m a s t e rs 嘶a lm o d e ) 、 主并联模式( m a s t e rp a r a l l e lm o d e ) 、从并联模式( s l a v ep a r a l l e lm o d e ) 以及边 界扫描模式( b o u l l d 叫s c a nm o d e ) 。从串模式中，f p g a 从一个串在电路中的 芯片中获得配置比特流，这时f p g a 的c c l k 管脚是输入模式。s l a v es e r i a lm o d e 下，可以使用一块配置芯片配置多块f p g a ，配置程序按照一定的时序依次配置 每块f p g a 。这种配置模式优点是能节省配置芯片，缺点很明显，多块f p g a 芯 片不能同时配置。在m a s t e rs 丽a 1m o d e 下，f p g a 的c c l k 管脚是输出模式， 即由f p g a 内部时钟来控制串型的p r o m 。程序先下载到p r o m 中，然后f p g a 浙江人学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 自动上电读取程序，这种模式在工业应用中很多。本文中使用的x i l i n x 公司指 定的配置芯片x c f 0 2 s ，采用主串配置模式，其配置电路如图2 1 1 所示。 3 3 v2 5 v2 5 v 图2 1 lf p g a 主串配置模式原理囹 f p g a 并联配置模式适合多块f p g a 同时工作，配置数据并行发送到f p g a 中，配置速度快。f p g a 的边界扫描配置模式支持在线调试和仿真，借助x i l i n x 提供的相关软件，如：) ( i l i l l ) 【的c 1 1 i p s c o p e 可以实时在线观测f p g a 的管脚和内 部寄存器的状态，方便用户调试。在编程调试阶段多采用这种配置方式。 2 3 3f p g a 晶振电路 在本实验中，f p g a 采用4 0 m h z 时钟输入。为保证f p g a 能可靠工作，晶 振采用有源晶振。具体的晶振电路如图2 1 2 所示。 图2 1 2f p g a 晶振电路 2 3 4f p g a 芯片供电电路 s p a r t a n 3x c 3 s 4 0 0 芯片的电压等级有3 3 v 、2 5 v 、1 2 v 。3 3 v 用来给f p g a 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 的i o b 供电，2 5 v 给一部分i o b 的b a n l ( 供电，同时提供给配置芯片，1 2 v 给 f p g a 内核供电。采用较低的1 2 v 供电，可以减小芯片功耗。为保证芯片安全 工作，所有供电电源均从5 v 转化而来，分别采用专用的5 v 转3 3 v 、2 5 v 和 1 2 v 芯片。本实验中3 3 v 转换芯片采用a s 2 8 3 0 3 3 ，2 5 v 转换芯片采用 a s 2 8 3 0 2 5 ，1 2 v 转换芯片采用鼢n 1 5 8 9 1 2 。具体的供电电路图如图2 1 3 所 示。 图2 1 3f p g a 供电电路 2 3 5f p g a 的复位电路 常见的f p g a 复位方法有硬件复位和软件复位两种。硬件复位原理简单，在 上电时，芯片按照一定时间延时产生一个上升沿或是产生一个下降沿，f p g a 采 集到跳变沿，即可对系统进行复位操作。硬件复位优点是操作简单，支持外部手 动复位；缺点是需要多加一块复位芯片，复位时间不能精确控制。软件复位原理 和硬件复位原理一样，只不过是用户根据自己需要在程序中加入了一段延时程 序，具体的延时时间可以精确控制。软件复位的缺点是不能实时在线复位。在本 实验中，采用s t c 8 1 1 芯片实现硬件复位。s t c 8 1 l 芯片管脚只有四个，外围电 路简单，支持手动复位，使用非常方便。使用s t c 8 1 l 的f p g a 复位电路如图 2 1 4 所示。 1 4 新太学碗学位论女甚十f p g a 的永鞋电机控制系统的研究 l k s e tc i r c u i t 城赫l o 一。 ：。上m j 型d s t c 8 n r ： t 脚j j l 6 i 目2 1 4f p g a 口e 236 智能功率模块( i p m ) 1 2 5 】 本实验使用c v r n e c 公司的智能功率模块耻3 4 0 0 e ，模块耐压6 0 0 v ，最大 电流2 0 a 这款智能模块集成了i g b t 、功率管驱动电路、欠压保护电路和过流 保护电路，是一袭用于电机驱动的高性能功率模块。使用i p m 模块简化了电路 设计，提高了电路可靠性。结口m 模块配置好外围电路，f p g a 产生的p w m 信 号经过光耦隔离加到i p m 上就可以产生三相电压，接到无刷直流电机输入电压 端上就可以驱动电机工作。f p g a 与i p m 的连接电路如图21 5 所示 g a 土：，一“ 日2 1 5l p m 和f p o a 的连接电路 i p m 的外围电路设置简单，具体配置如图2 1 6 所示 叫 掣 妻 莓一 浙江大学硕上学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 图2 1 6d m 模块的外围配置电路 2 3 7 光电隔离电路 为保护f p g a ，需要将f p g a 控制信号和功率放大电路隔离开。可以采用一 个光耦隔离电路实现。本实验中采用光耦t l p 5 2 1 ，这种光耦价格便宜，加上三 极管后速度足够快，满足实验要求。 图2 1 7 光电隔离电路 1 6 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的永磁电机控制系统的研究 2 3 8d a 转换芯片 实验中为观察闭环控制时速度曲线，需要将速度的数字信号转换成模拟信 号，以便在示波器上观察。本实验在f p g a 平台中加