外文翻译译文-FPGA在无刷功能设计基于FPGA和DSP的直流电动机系统

中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页IEEE车辆动力和推进会议 9.3-9.5,2008哈尔滨，中国FPGA在无刷功能设计基于FPGA和DSP的直流电动机系统王大雨 于开平 郭红中国，北京，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院邮编：摘要：由于它的高性能，无刷直流电动机广泛应用于机动车辆中。在本文中，根据目前电机控制系统的分析，介绍了新的硬件结构的电机控制系统方法。它是基于现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP），根据在电机控制中所需要的功能和FPGA和DSP的结构，FPGA和DSP的任务不一。在FPGA的功能设计基于FPGA和DSP的无刷直流电动机系统通过采用模块化的设计方法完成。所有的功能采用非常高速的集成模块电路硬件描述语言（VHDL）进行编程，详细介绍了在FPGA中实现的功能模块，该系统的优点是其良好的经营性能和可扩展性。 FPGA的应用可以大大简化外围电路的设计和释放DSP繁琐的操作。通过仿真和实验结果验证了它的有效性，并且它也可以作为FPGA在电机控制应用的一个例子。关键词 电机控制;现场可编程门阵列，数字信号处理器，直流无刷电机I.引言目前，无刷直流电机被广泛应用于汽车。因此，本研究对电机控制研究给予更多的关注。在现有的电机控制DSP系统被广泛使用。在这种结构中有两个缺点。一个是在系统中的DSP是固定点，并且无法完成某些更复杂的控制算法的快速和准确。二是外设模块在系统中是固定的，不能修改而且缺乏灵活性1，2。近年来，可编程逻辑器件发展迅速，尤其是现场可编程门阵列（FPGA），它具有低功耗，编程灵活，开发周期更短，更容易移植等优点3。现在FPGA + DSP控制方案被广泛应用在电机控制领域，而且许多有价值的研究已经完成，例如在文献1,2，3，4。在基于FPGA和DSP的传统计划中，在整个系统中FPGA只需要执行一些相对简单的功能，FPGA的性能还没有得到充分开发和利用。在文献3，4 FPGA作为DSP的PWM发生单元的缓冲器。中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页在本文中，根据功能需要在电机FPGA和DSP的控制和结构特征由FPGA和DSP的任务被划分。一个功能基于直流无刷电机系统中的FPGA设计FPGA和DSP的工作已经完成。相对于传统的DSP+ FPGA的方案，在我们的系统中功能采取的FPGA，FPGA的功能表现被充分利用。因此，DSP可以用在操作复杂的控制算法。以这种方式，FPGA和DSP资源的合理配置。不仅FPGA在电机控制系统中的应用不但简化了系统的硬件结构，而且增加了系统的灵活性。因此，系统是特别适合于高性能要求的电机控制系统。在功能设计的FPGA中，我们使用模块化高速集成电路硬件设计描述（VHDL）把FPGA分为六大功能模块。而每功能模块是独立的，它可以测试个别。然后整个FPGA系统单元化以这种方式，此功能模块。模块化整个系统的设计已经完成。在下文中介绍了各功能模块的设计方法。II.硬件结构和功能划分A 硬件结构在控制器的设计中，一个硬件结构的基础上使用FPGA和DSP。在电源电路中，我们使用国际产生的集成功率模块（IPM）整流器公司。它是一个集成电源模块开发和优化的电子马达控制中如洗衣机和家电应用冰箱。插头N驱动器技术提供了一个非常结构紧凑，高性能的交流电机驱动器在一个单一的隔离封装为一个非常简单的设计。霍尔位置传感器被用作转子位置传感器，它也可以是用于生成相位转换控制信号，用于BLDC电机。霍尔电流传感器用于测量直流电流传感器母线电流。B 功能划分根据所需要的功能，在电机控制和FPGA和DSP的结构特点，所采取的任务FPGA和DSP的分歧。所采取的功能FPGA包括：产生脉冲宽度调制（PWM）信号，检测到的电流信号，计算电机的旋转速度，生成的相位转换控制信号，FPGA和DSP之间的数据交换，计算电流环。所采取的功能DSP包括：转速回路计算、接收速度指令。硬体架构和功能划分如图1中所示。中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页图1、硬件架构和功能划分的框图III.在FPGA中实现的功能模块所有的功能模块都非常高的编程高速集成电路硬件描述语言（VHDL）。 FPGA开发过程中的支持，专门的软件工具。典型的设计流程，包括下面的步骤6：1) 设计入门：原理图，HDL（硬件描述语言），布尔，波形，混合结构;2) 编译和逻辑优化;3) 映射，布局和布线;4) 交互式仿真和时序分析;5) 可选地面规划;6) 设计验证和电路硬件调试每个功能模块是独立的，并且它可以是单独测试。具有的功能模块经过测试可以用在顶部的实体。以这种方式，在完成整个系统的模块化设计。A.生成的PWM信号图2示出了产生PWM波形的原理.双向计数器是用来产生三角波。比较寄存器的值是如果该值的比较与三角波比较。寄存器是小于三角波的值，然后PWM是1，其他，PWM是0。和PWM信号以这种方式产生。中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页图2.产生PWM波形的原理BA / D采样控制一个外部A/ D转换器由FPGA控制测量霍尔电流产生的直流母线电流信号传感器。我们使用ADC10064产生的国家作为A / D转换器的半导体。ADC10064的主要特点：1) 内置采样和保持;2) 单+5 V电源供电;3) 1，2，或4输入多路复用器选择;4) 典型的转换时间为10位时间：600 ns;5) 采样速率：800千赫。所有这一切功能，能够满足我们的要求的系统。 A / D转换时序图ADC10064是由图3所示.A转换（S/ H和RD）低。 A / D转换器采样的输入电压，并导致粗比较器变得活跃。一个内部定时器，然后终止粗的转换，并开始精细的转换。 850纳秒后S / H和RD拉低; INT变为低电平，指示转换完成。约20 ns后来的数据出现在三态输出引脚将是有效的。数据将出现在这些引脚在整个转换，但直到INT变低的数据在输出pins将结果以前的转换。我们设计的A / D转换控制器采用有限状态机（FSM）FSM编译根据在A / D转换器的时序图ADC10064显示在该系统中，电流Fig.3.In与PWM载波频率相同的采样速率设定。所以当前采样率是10千赫，在我们的系统中，它能满足要求的电流回路。中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页图3.ADC10064的A / D转换时序图C 生成的电子开关和换向控制信号霍尔位置传感器信号示出在图.4.In每个电周期，大厅位置传感器信号可以给6个代码，101,100,110,010,011,001六个代码对应的六步换状态三相BLDC电机。与霍尔信号，换向BLDC电机控制完成解码六用FPGA代码。图4.霍尔位置传感器信号D 速度计算霍尔位置信号，不仅可以用来产生换向控制信号，而且还可以用来计算速度BLDC电机。因此，在需要速度计算算法来实现它。如这是众所周知的，通式为速度是距离除以时间。所以需要一个计时器敲诈加快形式霍尔位置传感器的信号。速度计算的算法是基于霍尔测量传感器的信号周期间隔定时器。该计数器的时间间隔是C T。因此，电机的转速计算公式：中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页其中：60秒在一分钟内，CNT计数器两个连续的霍尔传感器之间的数字，p是极对数。E FPGA与DSP之间的数据交换在电机控制系统，高速和可靠的DSP和FPGA之间的通信是必需的我们希望尽可能简单的硬件结构。所以我们DSP和FPGA之间的通信是通过双端口RAM实现的。在系统设计中，我们不使用扩大双口RAM，我们就实现了使用FPGA的双口RAM。双端口RAM示出了由FPGA实现在这种方式Fig.5.In，系统的硬件结构被简化，并且提高通信的可靠性。硬件资源的系统中，可以采取充分的优势，FPGA硬件设计的灵活性，充分体现。由FPGA实现的双口RAM可以充当扩展存储器和DSP都可以访问它无延迟时间。之间的高速，可靠的通信DSP和FPGA是通过使用一个双端口RAM完成由FPGA实现。图5.双端口RAM实现FPGAF 电流回路计算FPGA只能处理数字信号。因此，在当前我们使用增量式数字PI闭环控制策略算法。增量式数字PI算法输出限制：中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页其中：Iref (k):参考电流值时，控制输出由DSP实现速度环;Iback (k): 目前反馈值;e(k)：目前错误的电流值;e(k-1)：以前的错误的电流值;u(k)：目前控制输出;u(k-1)：以前的控制输出。IV. 仿真和实验结果A.仿真结果要测试系统，功能仿真和时序仿真之前通过使用Quarus软件。当电机工作在六步换，系统仿真波形所示Fig.6.The模拟中的PI计算模块的结果示于图 7.从仿真的结果，可以看出，设计的FPGA是成功的。图6.无刷直流电机工作在六步换向的仿真结果中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页图7.PI计算模块的仿真结果;B实验结果对系统进行测试，一个闭环控制实验通过使用基于该系统的BLDC电机完成FPGA和DSP。 10 KHz的PWM波形生成FPGA是图8中所示。 0.5A电流阶跃响应如图9所示。 500 rpm转速的阶跃响应在图10中图8.FPGA产生的10 kHz的PWM信号图9.0.5A电流阶跃响应中北大学2013届中英文翻译第 页 /共 9页图10. 500 rpm转速的阶跃响应从实验结果中，可以看出，封闭闭环调速系统基于FPGA和DSP实现恒定的速度。取得的成果验证FPGA的功能设计是成功的。而这个系统可以完成闭环控制BLDC电机。V.结论在本文中，在一个