基于FPGA的交流永磁同步伺服电动机的磁场定向矢量控制

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 53 页基于FPGA的交流永磁同步伺服电动机的磁场定向矢量控制设计摘 要近些年国外出现了一些由FPGA的芯片为数据控制器和交流伺服控制芯片为专用芯片的电机伺服系统，它们通过硬件来实现电机控制算法，相对于DSP更容易组建交流伺服系统。本文围绕IRMCK201作为控制芯片的伺服系统结构，以Cyclone系列FPGA芯片为控制核心的数据控制器，开展了伺服系统电流环和速度环调节器的建模与设计、以及硬件和软件系统设计研究，主要内容如下：本文首先简要介绍了永磁交流伺服的发展过程，介绍了矢量控制的控制策略，并在国内外最新研究成果的基础上，以IRMCK201为例介绍了专用电机控制芯片的设计思想，并分析了永磁伺服将来可能的发展趋势。以理想化条件下永磁同步电机的数学模型为基础，分析了本系统采用的Id=0的矢量控制策略的优点。介绍了SVPWM技术的原理及数字化实现方法，分析了永磁伺服系统的控制环路，并给出了其最简形式。最后由FPGA芯片的最小系统为数据控制器和IRMCK201芯片设计了一套伺服控制系统，详细介绍了该系统的硬件整个设计过程。关键词：交流伺服，永磁同步电机，IRMCK201，FPGA芯片EP2C5Q208C8中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 53 页Control design based on FPGA-AC permanent magnet synchronous servo motor field-oriented vectorAbstractPMSM servo system has become the mainstream of AC servo system now, for its easy-control, fast response, high efficiency and cheaper price. In recent years, abroad appeared some from the FPGA chip as the data processor and AC servo control chip for the special chip for motor servo system, They achieved by hardware motor control algorithm, They can make up servo control system easier than DSP. Based on the IRMCK201 as the control chip of the servo system, with FPGA chip as the auxiliary data processor for the servo system, the current loop and speed loop regulator modeling and design, and the hardware and software system design, the main contents are as follows:Firstly, a brief introduction upon the development progress of permanent magnet AC servo system and a comparison between the two mainly control strategy- Direct Torque Control (DTC) and Field-Orientation Vector Control (FOC)are presented. And then the prospect of permanent magnet AC servo system and the new design idea such as IRMCK201 are analyzed based on an overall review of related papers published recently Based on the mathematical model of PMSM, Advantages of the rotor field-orientatio vector control of id=0 are summarized, After some theoretical research on the flux-weakening control strategy of PMSM, The numeral SVPWM algorithm and the simplest control model of the servo system are given.Finally by the FPGA chip system for a data processor and IRMCK201 chip to design a set of servo control system, introduces the system hardware and the design process. Based on the hardware platform with Verilog written in HDL language, compiled a set of control software, solved two chip communication problems, and gives the IRMCK201 on each key register of meaning and collocation method.Key words: AC servo, PMSM, IRMCK201, FPGA chipEP2C5Q208C8中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 53 页目 录1 绪论 .11.1 设计背景及意义 .11.2 伺服电机介绍 .11.3 永磁交流伺服的控制策略 .21.4 永磁伺服系统的现状及发展 .22 永磁同步电机的数学模型 .42.1 引言 .42.2 在三相坐标系下的数学模型 .42.3 在 d-q 坐标系下的数学模型 .52.4 Id=0 矢量控制方式 .72.4.1 PMSM 的矢量控制策略 .72.4.2 Id=0 的矢量控制 .83 PWM 技术 .113.1 电压空间矢量 PWM .113.1.1 SVPWM 技术的基本原理 .113.1.2 SVPWM 技术的实现 .123.2 SPWM 技术 .143.3 电流追踪型 PWM 技术 .153.4 SVPWM 调制的优势 .163.5 伺服系统的控制环路 .164 PMSM 伺服控制系统硬件设计 .184.1 IRMCK2O1 芯片和 Cyclone 系列 FPGA 芯片的功能介绍 .184.1.1 IRMCK201 芯片的简介 .184.1.2 IRMCK201 芯片的内部结构 .194.1.3 Cyclone II 系列 FPGA 芯片的内部结构 .204.1.4 Cyclone II 系列 FPGA 芯片的选择 .214.2 IRMCK201 芯片和 EP2C5Q208C8 芯片构成的 PMSM 伺服系统硬件设计 .23中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 53 页4.2.1 系统整体硬件结构 .234.2.2 主电路设计 .244.2.3 电流采样电路和电压监控电路 .264.2.4 光耦合隔离电路 .284.2.5 编码器接口电路 .294.2.6 保护电路 .314.2.7 芯片电压监控电路 .324.2.8 EP2C5Q208C8 最小系统 .325 PMSM 伺服系统的软件设计 .365.1 SDRAM 的简介 .375.2 寄存器的初始化参数值 .405.2.1 编码器寄存器组初始化参数设置 .405.2.2 PWM 配置寄存器组配置参数设置 .415.2.3 电流环寄存器组配置参数的设置 .425.2.4 速度环寄存器组配置参数设置 .435.2.5 系统配置寄存器 .446 全文总结 .46参 考 文 献 .47致 谢 .49中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 53 页1 绪论1.1 设计背景及意义由于电力电子、计算机及微电子技术的飞速发展，矢量控制技术在高性能交流驱动领域的应用已经越来越广泛。由于矢量控制算法的计算过程比较复杂，另外还要进行速度反馈等运算，因此传统上一般采用 DSP 技术以软件的方式实现，这种方法的优点是比较灵活，但其开发周期比较长，而且占用 CPU 的时间比较多，有时为了提高性能不得不采用双 DSP，这就使得系统整体性价比下降。最近几年兴起了一种全新的设计思想，这就是基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件实现技术。与 ASIC 不同的是，FPGA 本身只是标准的单元阵列，没有一般IC 所具有的功能，但用户可根据自己的需要，通过专门的布局布线工具对其内部进行重新编程，在最短的时间内设计出自己的专用集成电路，同时由于避免了流片的风险和投资，在时间和成本上大大提高了产品的竞争力。采用以纯硬件的方式处理，不占用 CPU 的资源，就可以使系统达到很高的性能。这种新的设计方法已经应用在高性能的交流驱动控制上，目前基于 FPGA 的交流电机驱动一般采用的做法是，由于位置控制比较灵活，很难做到通用性，所以位置环节一般由DSP、CPU 或其他专用芯片来完成，速度控制和电流控制具有通用性，而且高性能的速度控制离不开电流控制，因此完全可以把它们集成到一个专用 FPGA 芯片中，这样既可以实现速度伺服控制，又可以单独进行电流控制，还可以和其他专用芯片共同构成位置伺服系统，进一步把位置、速度、电流三种算法完全由一片FPGA 来实现，从而实现真正的片上系统，这将成为下一代高性能伺服控制器集成化设计的一个趋势。1.2 伺服电机介绍伺服电机作为伺服系统的指令执行机构，其性能十分重要。高性能的伺服电机一般具有：体积小，重量轻，惯性小，输出转矩大，转矩脉动小，易于控制等特点 1。因为不存在机械换向器和电刷，交流电机相对早期曾得到广泛应用的直流电机而言，具有结构简单坚固、转速高、运行可靠等优点，正逐步取代直流电动机，成为伺服电机的主流。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 53 页永磁同步电机是交流电机中的一种，其转子由永磁材料构成，与感应电机相比，不需要励磁电流，因而具有更高的功率因素和效率，更好的散热性，在小于 10kW 的低功率场合功率密度高体积小，且数学模型简单更易于控制。永磁同步电机的转子多采用稀土永磁材料，而我国稀土资源丰富，稀土矿储量为世界其他各国总和的 4 倍左右 2，稀土永磁材料价格低廉，因而用永磁同步电机作为伺服电机在我国有更广阔的前景。永磁同步电机（PMSM）的转子磁路结构根据永磁体安装位置的不同，可分为：表面式（SPMSM） 、内置式（IPMSM ）和爪极式三种，表面式又分为凸出式和插入式。表面凸出式 PMSM 由于具有结构简单，成本低廉、转动惯量小、转矩/电流特性的线性度高、控制简单、精度高等优点，在永磁伺服系统中应用最为广泛，而内置式则适用于高转速、高功率、高转矩和需要弱磁控制的场合。一般所谓的永磁同步电机均是指的正弦波 PMSM。1.3 永磁交流伺服的控制策略控制伺服系统实际就是控制其转矩，希望转矩控制能够响应快、精度高、波动小；其次还希望电机的效率高、功率因数高，且控制系统简单可靠，调速范围大。实现这些目标必然离不开先进的控制策略。目前针对永磁交流伺服虽然提出了大量的先进控制策略，但真正取得广泛应用的只有矢量控制和直接转矩控制。矢量控制也称转子磁场定向控制（FOC） ，这一控制思想最早于 1971 年由德国的 F.Blaschke 提出，最先被应用在感应电机的控制中。按这种控制策略设计的交流调速系统，调节器设计方便，动态性能好，调速范围宽。因为同步电机不存在感应电机的转差频率电流，对参数没有后者那么敏感，故矢量控制在永磁同步电机中更容易实现，是 PMSM 使用较为广泛的一种控制方式。其优点是通过坐标变换，将定子变量变换到转子坐标系中，组成电流闭环，可动态跟踪电流的变化，再加一个由光电编码器构成的速度闭环，可组成双闭环系统。这种双闭环系统是目前永磁伺服应用最为广泛的控制方式 3。1.4 永磁伺服系统的现状及发展1）专用控制芯片的出现永磁伺服的大行其道本身也是伴随者高性能的微处理器（MCU）和专用 DSP 中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 53 页的出现而来的，其控制系统已经完成了从模拟硬件实现到全数字实现的过程。但目前又出现了一种趋势就是回到全硬件实现上去，这是因为一些高性能的专用电机控制芯片的出现。这些专用 IC 基于 FPGA 平台，将本来用数字软件方法实现的控制程序通过数字硬件设计（HDL 语言）集成到芯片内，使得复杂的软件算法都可由芯片实现，缩短了伺服系统的开发周期节约了开发成本。其中较为典型的就是 IR 公司的 IRMCK201，该芯片内部集成了矢量控制伺服系统所需的控制单元，通过硬件实现了通用的速度和电流控制算法。随着电子技术的发展，FPGA 技术的提高，灵活的位置控制算法将来也能通过硬件来实现通用化，那么一个芯片即可完成伺服系统的全部控制功能。可以预见，专用控制芯片将会替代 DSP 成为伺服控制系统的新核心。2）控制技术将更加先进随着控制理论的发展，一些先进的控制策略如最优控制、滑模变结构控制、自适应控制，以及不依赖电机数学模型的模糊控制、神经网络和预测控制等智能控制策略，正不断在永磁伺服控制领域进行着尝试。这些先进控制技术对硬件有着更高的要求，目前多数仅停留在实验探索阶段，暂时还难以得到广泛应用。相信随着科技的发展，它们将来一定能在新型伺服系统中实现，矢量控制技术必将被之取代。3）硬件高度集成化随着电力电子技术的发展，一些集成度高、功能强大的电子器件不断出现，如取代传统 IGBT 桥式电路的智能功率模块（ IPM）等，使伺服系统的硬件更加紧凑，集成度更高，体积更小。伺服系统微型化也将成为一种趋势。本设计基于单片 FPGA，采用矢量控制理论(FOC )结合伺服控制芯片IRMCK201，来实现对永磁交流同步电机的控制。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 53 页2 永磁同步电机的数学模型2.1 引言针对与交流电机这样一个多变量、强耦合、非线性的时变控制系统，难以直接通过外加信号准确控制电磁转矩，矢量控制的原理就是以转子磁通这一旋转的空间矢量作为参考坐标，利用静止坐标系到旋转坐标系的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立分开，进行分别控制。这样通过坐标变换重建的电机模型就可以等效成为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。矢量控制是将三相坐标系上的定子交流电流通过三相-两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流和，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流和。相当于励磁电流，d 绕组相当于直流电动机的励磁绕组，相当于与转矩成正比的电枢电流，q 绕组就相当于直流电动机的电枢绕组。控制器对和控制就相当于等效直流电机进行控制，这就是矢量控制的基本思想。2.2 在三相坐标系下的数学模型由电机内部的电磁关系，得到永磁同步电机在静止的定子三相 ABC 坐标系下的磁链方程为：(2-1)式中、 、为定子三相绕组磁链；、 、为定子三相绕组自感；、 、表示定子两相绕组间的互感；为转子永磁体与定子绕组交链的最大磁链。电压方程为：（2-2）式中、 、为定子相电压；为定子每相绕组的电阻；、为定子相电流。对理想条件下的电机，有定子绕组电感的实用计算公式 4：，用该式可求出定子 XY 相之间电感，式中为气隙磁导，表示 X、Y 相串联匝数，表示 X、Y 两相间的角度，表示极对数。令，得：，同理有， ，故将（2-1）式代入（2-2）式再经上述参数整理得：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 53 页(2-3)式中，为电枢绕组电感，为定子相电阻，为微分算子，为电角度。因为本伺服电机绕组为 Y 型接法，有，于是得到：(2-4)式中，为转子旋转电角速度。2.3 在 d-q 坐标系下的数学模型图 2-1 PMSM 在两种坐标系下的矢量图图 2-2 ABCdq 坐标系变换图如图 2-1，将 d 轴固定在转子磁极轴线上，q 轴超前 d 轴且与之垂直，d-q 轴随转子以同步转速旋转（为机械角速度） ，就构成了 d-q 轴坐标系。坐标变换如图2-2，d-q 轴是旋转的等效两相坐标系，其中 d 轴即图 2-1 中的转子轴线，与 A 轴之间的夹角为。将电流矢量 i 按 d-q 轴分解，A-B-C 坐标下的三相电压、电流、磁链等参数与d-q 坐标系下两相电压、电流、磁链之间的转换关系如下：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 53 页(2-5)在前面假设的理想条件下，将电机各量进行坐标变换，则可以得到 PMSM 在d-q 坐标系下的数学模型如下：（1） 磁链方程(2-6)（2） 电压方程(2-7)由以上两式可得：(2-8)稳态条件下，与都是常数，故上式可简化为：(2-9)上述公式中的分别为 d、q 轴上的定子电压、电流及磁链分量；为 d、q 轴上的定子电感，R 为定子相电阻。（3） 电磁转矩方程：(2-10)（4） 电磁功率方程：(2-11)（5） 电机的机械运动方程为：(2-12)上述公式中，为电磁转矩，为负载转矩；J 为电机转子和所带负载的总转动惯量，B 为粘滞摩擦系数；为电机转子的机械角速度。由于 d-q 坐标系与转子一起转动，相对转子是静止的，则电机定子、转子上的自感互感等量在 d 轴、q 轴上的投影应该是恒定的。而在 ABC 坐标系下，定子、转子绕组间的互感和定子各绕组间的自感都是转角的函数，经坐标变换到 d-q 坐标系后，等效的 d、q 轴绕组的自感与互感均为常数，为分析求解带来了极大的方便 5。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 53 页2.4 Id=0 矢量控制方式2.4.1 PMSM 的矢量控制策略根据 PMSM 伺服系统的不同的应用场合，可采用的电流控制方法主要有：控制、控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、最大输出功率控制等，这些控制方式各有优劣：的控制策略方法简单，最容易实现，且因为没有 d 轴分量，不会对永磁体有退磁作用，但需要逆变器的容量比较大； 控制方法，使电机输出全部是有功，充分利用了逆变器的容量，但实现算法复杂，对永磁体的退磁作用较强；恒磁链控制比控制的功率因数高，相同输出转矩时，需要的逆变器容量小，但电枢反应的退磁系数大。总之，PMSM 伺服系统应根据不同的电机结构，结合自身不同的需求，来选择不同的电流控制方法。2.4.2 Id=0 的矢量控制d 轴电流分量通常具有：对 d 轴电枢绕组磁链增磁或去磁、增大电机铜耗、影响电机定子绕组的端电压和视在功率的作用。由式（2-9 ）知稳态条件下的定子端电压为：(2-13)由式（2-17 ）可作如下分析：当时，会增加电枢电流加大电机的铜耗，影响电机的寿命，同时也要求逆变器能输出更大电压；当时，在某一范围内比时更低，对逆变器的输出电压要求也更低，但超过了这一范围则又会使变高。的去磁效果可用来对电机进行弱磁扩速。结合电机的电磁转矩方程式（2-10）可得出结论：在以电机转矩为目标量的控制中，应尽量使得等于 0，因为当时，电磁转矩公式可简化为：(2-14)由式（2-18 ）可知，条件下转矩只受 q 轴分量的影响。如图 2-4，当三相合成的电流矢量与 q 轴重合，即，时，电机可获得最大转矩。控制方式具有完全分解了与、实现了定子绕组与 d 轴的完全解耦，从而简化了永磁同步电机数学模型的优点。但也存在缺点，就是随负载的增加，定子电流增大，由图 2-4 可知定子的电压矢量和电流矢量的夹角必将增大，降低了电机的功率因数 6。但因其简化了中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 53 页电机的数学模型，且控制容易数字实现，的控制方式很适合小容量 PMSM 伺服。图 2-4 PMSM 转子磁场定向的矢量控制图本系统采用的 IRMCK201 芯片内部集成了的矢量控制算法，实现起来简单易行，系统的矢量控制框图如下：图 2-5 PMSM 伺服系统矢量控制原理图图 2-5 是控制的永磁同步电机伺服系统原理图，是由速度环和电流环组成的双闭环系统，电流环实时反馈定子电流用以实现的控制策略。控制时输入一转速指令给系统，该速度值与光电编码器反馈的电机转速相比较，再经速度环 PI 调节输出的指令值，而的指令值恒为 0；电流传感器测得定子两相电流和，经过坐标中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 53 页变换得到 d-q 轴下的和，分别与 d-q 轴电流的指令值和相比较，再经电流环 PI 调节，输出 d-q 轴下的电压值和，再经过坐标变换，生成 轴系上的电压指令和，从而得到 SVPWM 控制信号，驱动逆变器给电机施加相应的电压。3 PWM 技术随着新型电机电力电子器件的不断涌现以及微电子技术的不断发展。PWM 变中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 53 页频技术也获得了飞速发展。PWM 技术目前主要了有三种形式：基于正弦波对三角波脉宽调制的 SPWM 控制，基于电流滞环跟踪的 CHPWM 和电压空间矢量SPWM。3.1 电压空间矢量 PWM 3.1.1 SVPWM 技术的基本原理空间矢量 SVPWM 是当前三相 PMSM 伺服控制系统中应用最为广泛的一种控制技术，该控制策略将电机与逆变器看作为一个整体来考虑，所得的模型简单，便于实时控制 7。本课题就采用了这种控制策略。图 3-1 三相逆变电路拓扑结构图图 3-1 是三相逆变器带 Y 型联接电动机的原理图，由图可得相电压方程：(3-1)电机的端电压靠三相逆变器 6 个功率开关管的导通与关断来切换。逆变器每相上下两桥臂的开关器件是互锁的，上桥臂导通下桥臂必然关断。对三个桥臂，可以分别定义三个开关状态 SA、S B、S C。例如对 A 相桥臂而言，当上管导通时SA1；反之，下管导通时 SA0。根据三个桥臂的不同开关状态，一共有 8 种开关模式（S A SB SC） ，可对应为 8 个基本电压矢量，k=0，1，28。结合开关状态，式（3-1 ）可以表示为：(3-2)于是有开关状态对应的线电压表达式为：(3-3)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 53 页根据以上两式可得到不同开关状态 k 下 PMSM 定子电压的矢量表达式：(3-4)由式（4-4 ）可知，这八个电压矢量中的六个有效电压矢量在空间上相位差，幅值为，将空间平面分成 6 个扇区，若按逆时针方向排序，依次为 U4(100)，U6 (110)，U2(010)，U 3(011)，U 1(001)，U 5(101)，两个零电压矢量 U0(000)，U 7(111)位于六边形的中心，表示逆变器的三个桥臂上管或下管同时导通，PMSM 定子电压实际为零。矢量空间位置如图 3-2 所示。图 3-2 电压空间矢量图SVPWM 技术的关键是按设定的参数控制这 8 个基本空间矢量的导通时间，使得这 8 个空间矢量的合成矢量在整个空间内做圆形旋转。旋转矢量落到某个扇区，就由该扇区的两个相邻的有效电压矢量，分别作用一定的时间进行合成而得到，零矢量用以补偿参考矢量的旋转频率。3.1.2 SVPWM 技术的实现（1）求解合成矢量的作用时间中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 53 页图 3-3 第 I 扇区空间矢量合成图由以上分析，以图 3-3 为例，当参考矢量 Uref 落在第 I 扇区时，由相邻矢量U4、U 6 来合成，两矢量作用时间分别为 T4、T 6，T s 为一个 PWM 调制周期，可以得到：(3-5)为推导矢量的作用时间 T4、T 6，根据图 3-3 由三角几何原理可得：(3-6)将代入式（3-6）并结合式（3-5）可得作用时间：(3-7)同理可得任意扇区内的矢量作用时间，k 为扇区号（I、IIVI） ，为 PWM周期。按逆时针方向定义扇区内超前的矢量作用时间为，滞后的矢量为作用时间为，可得：（3-8 ）（3-9 ）式中零电压矢量的作用时间为： (3-10)通过以上方程虽然可以计算出各个扇区相邻矢量的作用时间，但不容易在软件上实现。为了便于数字化处理，必须将上面的式子进行变换。还是以第 I 扇区为例，由图 3-3 可得：(3-11)式中。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 53 页由上式解得两个矢量的作用时间：(3-12)然后计算零矢量的作用时间：a. 若，则 (3-13)b. 若，则要采用过调制的方法。开关矢量的作用时间分配图如图 3-4 所示。图 3-4 开关矢量作用时间分配图仿照上述的计算方法，同理可推得处于其它扇区时的开关矢量作用时间。3.2 SPWM 技术SPWM 法是从电源角度出发，着眼于如何生成一个可以调压调频的三相正弦波电源。SPWM 波形的生成由许多方法，例如等效面积法，自然采样法，规则采样法等等。自然采样 SPWM 法采用正弦波作为调制波，以等腰三角形作为载波。利用比较法以正弦波和三角波瞬时值相等的时刻，获得经调制的幅值相等、面积按正弦比例变化的矩形脉冲信号。中值规则采样法的基本思想是，将三角载波周期的中点时刻（三角波的正峰值或负峰值）对正弦采样形成阶梯波来代替正弦波。自然采样法虽然是能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，但其实开关时刻求取困难，不适合进行实时控制。而中值规则采样法偏离自然采样法较小，脉宽计算方法简单，运算量小，实时性好，是常用的 SPWM 法。针对本设计来说，由于三角载波和正弦波都由 FPGA 产生，开关刻求取方便，故使用自然采样法。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 53 页3.3 电流追踪型 PWM 技术电流追中型 PWM 技术的基本思想是将一个正弦波定子电流给定信号和定子电流实测信号比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减少；反之，则使之增加。电流追踪型 PWM 控制根据电流控制环的结构可以分成两种方式：电流滞环跟踪 PWM 和电流同步采样 PWM 控制。采用电流滞环跟踪 PWM 控制，实际电流与给定电流的偏差值是固定的，但逆变器的开关频率是变化的。开关频率的大小与滞环宽度有关，环宽越小，控制精度越高，而开关频率也越大。由于受到功率器件允许开关频率的限制，故环宽不可能选得很小。另外滞环控制的输出电流不能太小，因为当给定电流太小时，滞环的调制作用将消失。为了克服这些缺点，可以采用电流同步采样 PWM 控制，它是根据偏差值符号，经 D 触发器以固定频率将比较结果送至驱动电路，故其开关频率固定不变。该种控制实际电流与给定电流的偏差值是变化的。但当功率器件具有足够高的开关频率时，变频器的实际输出电流能够快速跟随给定值。电流追踪型 PWM 技术的特点：硬件简单，电流控制响应快，可以实现电压和磁通的自动跟踪控制。但是其电流谐波比较大。3.4 SVPWM 调制的优势图 3-5 SVPWM 模式下电压矢量幅值边界空间电压矢量法通过，作用时间的合理安排可提高逆变器电压利用率等，当两个零电压矢量，的作用时间均为 0 时，合成空间电压矢量幅值最大。但不会超中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 53 页过图 3-5 中虚线所示的正六边形边界。当合成电压矢量落在该边界之外时，发生过调，逆变器输出电压波形将发生失真。采用 SVPWM 调制，不失真条件下，逆变器能够输出的为图 3-5 所示虚线正六边形的内切圆，其幅值为：。即不失真条件下，逆变器所能输出的最大正弦相电压幅值为。如果采用传统的 SPWM 调制，逆变器能输出的最大正弦相电压幅值为，两者直流电压利用率之比为。SPWM 调制的最大电压矢量圆即图 3-5 所示的虚线圆，从图上可直观的得到，SVPWM 最大电压圆的直径大于 SPWM 最大电压圆，显然 SVPWM 调制的直流电压利用率更高。3.5 伺服系统的控制环路仿真模型采用矢量控制策略，速度环作为外环，电流环作为内环。速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，而电流环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，也直接影响系统的性能。下面就速度环和电流环分别进行分析。在 PMSM 理想数学模型的基础上，由本课题采用表面凸出式转子结构的PMSM，故，当采用控制策略时，电机的状态方程：(3-14)将式（3-14 ）进行拉式变换并整理有：(3-15) 由式（3-15 ）得 PMSM 伺服系统的结构框图：图 3-6 PMSM 伺服系统框图结合 PMSM 矢量控制系统原理图，得到双闭环控制动态结构框图：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 53 页图 3-7 PMSM 电流、速度双闭环动态结构框图由图 3-7 知，电流环是速度调节中的一个环节，系统中必须要有快速的电流环以保证定、转子电流对矢量控制指令的准确跟踪，因此 PMSM 伺服系统对反馈电流的测量器件的精确性和响应速度有较高的要求。考虑到伺服系统的机械惯性比电枢绕组回路的电磁惯性大得多，电流响应比转速响应快，故电流环可以等效为一个一阶惯性环节，于是图 3-7 可以简化为：图 3-8 PMSM 双环简化动态结构框图4 PMSM 伺服控制系统硬件设计PMSM 的伺服控制系统主要包括以下几个方面，第一个模块主电路，其中主要包括单相整流和逆变器智能功率模块 IRAMXl6UP60A，提供低电压给控制电路。其次是控制电路，主要包括 Cyclone 系列 FPGA 芯片 EPC25Q208C8 和伺服系统专用芯片 IRMCK2O1，实现本课题设计的主要功能。另一个重要的部分是内置有2500PPR 的混合式光电编码器永磁同步电动机和一些辅助电路，永磁同步电动机为本课题的控制对象，而辅助电路主要包括光电编码器、电流检测电路等构成。本章将具体介绍整个硬件电路设计过程。4.1 IRMCK2O1 芯片和 Cyclone 系列 FPGA 芯片的功能介绍4.1.1 IRMCK201芯片的简介IRMCK2O1是国际整流器集成电路(IR)为实现高性能伺服驱动系统的闭环电流和速度控制而设计的电机控制芯片。该芯片基于FPGA平台，与传统的微控制器或DSP不同的是IRMCK2O1不需要任何编程操作就可以完成复杂的交流伺服算法的开发。配合IR的高压门驱动和电流传感芯片，用户可以花很少的设计精力就可以实现一个完整的交流伺服驱动系统。取IRMCK2O1 包含了专门的逻辑来执行AC电流和速度的闭环控制，通过灵活的配置能使它具有更宽的应用范围。该驱动器中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 53 页可以很容易的配置成永磁电机闭环矢量控制伺服驱动器。具有丰富的可配置的外围器件，模拟和数字I/O口。主机通讯逻辑包含一个异步RS232C或RS422 通讯接口，一个高速的从属SPI接口以及一个8位的主机并行接口。所有的通讯端口都具有相同的访问主寄存器组的能力。用户可以通过这些通讯端口来读写预先确定的寄存器，以便能配置和监控控制器。IRMCK2O1应用在交流伺服电机控制器中还包含以下功能:（1）基于同步可旋转磁场定位的全闭环电流控制。（2）可配置的PWM载波频率。（3）可配置的参数(所有的PI控制器增益，PI输出极限范围，电流反馈缩放比例，编码器反馈的缩放比例)。（4）可配置更新速率的闭环速率控制器；使能/禁止速度环。（5）对于扭矩和速度输入可以选择基准输入。（6）直流总线电压反馈，对超量直流总线电压的动态制动控制。（7）具有多路复用和采样/保持电路的低功耗串行 12位A/D接口。（8）对晶闸管IGBT的循环开/关控制，并且有保存锁存控制。（9）可以通过外部寄存器如EEI心0M进行主寄存器接口保存内部数据/参数，方便参数的初始化。IRMCK201控制电路主要完成对其外围器件的选择及其应用，主要包括以下几个方面，如下图所示，包括晶振电路，选用33.3MHZ 的最大时钟输入频率；硬件复位电路，这个可以由EPC25Q208C8 或者外部的信号提供； EPC25Q208C8通信接口，用了并口通信，其它I/O，包括保护信号的输入及一些EPC25Q208C8特殊功能引脚连接；PWM驱动信号，电流传感器信号；编码器接口信号；故障信号的处理都有专门的接口设计 8。这些外部接口电路和IRMCK201一起组成了它的控制电路如图示：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 53 页图4-1 IRMCK201 控制电路组成部分4.1.2 IRMCK201芯片的内部结构在本次课题的应用中主要是通过内IRMCK201置完整的基于磁场定向（FOC ）的电流闭环控制和速度闭环控制功能，可根据需要来选择；提供多种闭环控制和模拟控制所需的接口，可以通过模拟参考输入来控制电机的转矩、转速；芯片输出带死区时间的空间矢量PWM，可配置其载波频率、对称非对称等参数；还具有监视直流母线电压，智能IGBT保护闭锁控制的功能。其内部结构如图示：图4-2 IRMCK201 的内部结构图如图所示，IRMCK20在硬件上具备了伺服控制所必需的控制单元，只需配置中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 23 页 共 53 页这些单元相应的寄存器即可控制电机。在本系统中，IRMCK201利用片上的编码器接口和电流采样接口，组成速度、电流双闭环；由EPC25Q208C8配置IRMCK201的相关寄存器实现如第二章所述的I d=0矢量控制策略，从而建立伺服控制系统。IRMCK201还可通过A/D转换单元选择相应的通道，监视逆变器上的直流母线电压。当其值超出正常的范围时，立即启动IRMCK201内部的错误锁存器发出闭锁信号，终止主电路上的电压输出，避免电机因过电压而损坏。4.1.3 Cyclone II系列FPGA芯片的内部结构Altera公司推出新款Cyclone II系列FPGA 器件。Cyclone II系列FPGA的成本比第一代Cyclone 器件低30，逻辑容量大了三倍多，可满足低成本大批量应用需求。Cyclone II器件采用TSMC90mm低K绝缘材料工艺技术，这种技术结合了 Altera低成本的设计方式，使之能够在更低的成本下制造出了更大容量的器件。这种新的器件比第一代Cyclone 的产品具有两倍多的 I/O引脚，且对可编程逻辑，存储块和其它特性进行了最优的组合，具有许多新的增强特性：（1）容量-Cyclone II器件提供了多达 68，416个逻辑单元(LE) ，是Cyclone 器件的三倍。（2）嵌入存储器-Cyclone II器件4Kbit的M4K嵌入存储块提供了多达1.1Mbit的嵌人存储器。这样满足了系统Cache、数据缓冲、时钟域转换和FIFO应用对标准系统片内存储所需的容量。另外，Cyclone II器件的嵌入存储块支持多种配置，包括真双口和单口RAM、ROM和F1F0 。（3）嵌入乘法器-Cyclone II器件具有多达150个嵌入1818乘法器，是实现通用低成本数字信号处理(DSP)应用，如FIR滤波器、FFT、相关器、编译码器和NCO的理想方式。Cyclone I器件中的嵌入乘法器能够在250MHz 下运行，适合于作为协处理器，分担数字信号处理器复杂和耗时的算术运算，提升整个系统的性能，降低系统的成本。（4）外部存储接口-Cyclone II系列已经对外部器件高速可靠的数据传送进行了优化。该系列的所有产品都能够通过专用接口和双数据率(DDR和DR2)，单数据率(SDR)SDRAM器件和四数据率 (QDRII)SRAM器件通信，确保高达688Mbps快速和可靠的数据传送。（5）I/O 标准-Cyclone II器件支持数量增加的I/O标准，包括支持DDR和中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 24 页 共 53 页DDR2 SDRAM和QDRIISRAM先进存储器的单端标准。新近支持的标准包括HSTL、PCI-X、LVPECL和mini-LVDSI/O标准，以及第一代Cyclone器件支持的LVTTL、LVCMOS、PCI、SSTL、LVDS 和RSDS标准。4.1.4 Cyclone II 系列 FPGA 芯片的选择FPGA由于具备设计灵活、可以反复编程的优点，在电子产品设计领域得到了广泛的应用。在设计中，选择FPGA芯片时可以参考以下的要点：（1）选择成熟的产品系列FPGA芯片的工艺一直走在芯片设计领域的前列，产品更新换代速度非常快。稳定性和可靠性是产品设计需要考虑的关键因素，厂家最新推出的FPGA系列产品一般都没有经过大批量应用的验证，选择这样的芯片会增加设计的风险。而且，最新推出的FPGA芯片因为产量比较小，一般供货情况都不会很理想，价格也会偏高一些。如果成熟的产品能满足设计指标要求，那么最好选成熟的芯片来完成设计。在本文中，要用FPGA 设计数据处理模块。采用Altera公司的Cyclone、Cyclone II和Cyclone III等3个系列的芯片都可以完成这个功能。考虑到Cyclone和Cyclone II是成熟产品，同时Cyclone II又是Cyclone 的升级产品，因此选择Cyclone II 是比较理想的方案。（2）选择兼容性好的封装FPGA系统设计一般采用硬件描述语言来完成设计。这与基于CPU的软件开发有很大不同。特别是算法实现的时候，在设计之前，很难估算这个算法需要占多少FPGA的逻辑资源。作为代码设计者，希望算法实现之后再选择FPGA的型