洪劍鋒，宋鳳林，黃劭剛

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031）

基于DSP-FPGA的永磁電機數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計*

洪劍鋒，宋鳳林，黃劭剛

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031）

以交流永磁電機矢量控制原理為基礎(chǔ)，介紹了一種基于DSP-FPGA的永磁電機數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成了數(shù)字控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)及相應(yīng)的硬件、軟件設(shè)計，同時為了提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，采用了基于CORDIC變換的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值與轉(zhuǎn)速信息，且DSP與FPGA之間采用高速同步串行通信SPI來實現(xiàn)。在對總體設(shè)計分析的基礎(chǔ)上，通過計算機軟件仿真和對實際永磁電機的控制實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的數(shù)字控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、較好的動靜態(tài)特性與快速性能，在實際應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用前景。

永磁電機；DSP-FPGA；矢量控制；CORDIC旋變解碼

0 引言

永磁同步電機具有體積小、重量輕、高效率、高輸出轉(zhuǎn)矩、高功率密度等優(yōu)點。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和交流伺服控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。

目前對永磁電機的控制技術(shù)主要有磁場定向矢量控制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子靜止坐標(biāo)系中針對電動機定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩實施獨立控制，通過在適當(dāng)?shù)臅r刻選擇合適的空間電壓矢量來實現(xiàn)兩者近似解耦的控制效果［1］。而矢量控制技術(shù)［2］的核心是在轉(zhuǎn)子磁場坐標(biāo)系中對磁場電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq分別進行控制，其控制性能可與直流電機相媲美。傳統(tǒng)的DSP控制方案可以滿足算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運算速度高等的需求［2］，但是對運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單的底層信號處理算法來說顯不出優(yōu)點，適合采用FPGA硬件來實現(xiàn)［3］。本文正是充分利用兩者的優(yōu)勢，將其集成在同一控制系統(tǒng)當(dāng)中，其最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)靈活，通用性強，運算速度高等。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼都是由專用芯片［4］來完成，其過程復(fù)雜費時，本文采用基于CORDIC變換的旋變解碼算法來得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值和轉(zhuǎn)速信號，且其完全由FPGA純硬件來完成，提高了實時性。DSP與FPGA之間采用高速同步串行通訊SPI來實現(xiàn)，SPI通訊協(xié)議簡單，連線少，且能全雙工通信。最后以TI公司的芯片TMS320F2812與ALTERA公司的CYCLONE IV系列FPGA芯片EP4CE6F17C8為核心控制板，通過仿真軟件和對實際永磁電機的控制實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有可行性與準(zhǔn)確性，且動靜態(tài)性能和控制效果好，在實際應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用前景和參考價值。

1 交流永磁同步電機矢量控制原理

矢量控制理論［1］的基本思想是將定子三相交流電經(jīng)過坐標(biāo)變化和磁場定向，分解為磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量并分別對其控制，從而達(dá)到了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦控制。圖1是永磁同步電機矢量控制原理圖。采用旋轉(zhuǎn)變壓器得到轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)值和轉(zhuǎn)速值構(gòu)成矢量閉環(huán)控制。

圖1 交流永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)框圖

永磁同步電機在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：is為定子電流，id，iq為定子電流dq軸分量，ψd，ψq為dq軸磁鏈，Ld，Lq為dq軸同步電感，ψf為永磁磁鏈，p0為磁極對數(shù)，β為轉(zhuǎn)矩角。

從電磁轉(zhuǎn)矩方程可得其分為兩部分，其一為永磁體產(chǎn)生的勵磁轉(zhuǎn)矩；其二為轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。它們都與定子電流的q軸分量成正比，即只要控制電流轉(zhuǎn)矩分量iq就可以控制轉(zhuǎn)矩的大小。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

整個矢量控制系統(tǒng)是以DSP-FPGA為核心，其硬件設(shè)計主要包括：主回路設(shè)計，控制回路設(shè)計，檢測電路設(shè)計。為了達(dá)到對電機的精確控制和充分利用DSPFPGA芯片的特長，將閉環(huán)矢量控制算法、計算PWM脈寬等復(fù)雜功能由DSP芯片來完成［5］，將電機各種故障檢測、計算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角值及PWM反相與死區(qū)設(shè)置等功能由FPGA芯片完成。采用CORDIC算法的旋變解碼過程由FPGA純硬件來完成，得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值和轉(zhuǎn)速信號，DSP與FPGA之間采用高速同步串行通訊SPI來實現(xiàn)。

2.1 主回路設(shè)計

主電路由整流電路、濾波電路、逆變電路、啟動和制動電路組成，如圖2所示。整流電路由6個二極管組成三相橋式整流電路，其型號為DFA100BA160，其不具有可控性和逆變能量回饋性能。CS4為整流橋吸收電容，容量為0.22μF/1200V。逆變電路由6個IGBT組成，其型號為FF150R12RT4，其是電壓型逆變電路，可通過PWM控制將直流逆變?yōu)槿嗾也妷?。啟動電路是由一個可控硅SCR和一個充電電阻Rs并聯(lián)組成，為了防止開啟變頻器時電容充電產(chǎn)生過電流。制動電路由一個IGBT模塊T1和制動電阻組成，為了將電機制動時產(chǎn)生的電能釋放到制動電阻上。C表示帶有均壓電阻的電解電容的濾波模塊。

圖2 主回路設(shè)計框圖

圖3 控制回路設(shè)計框圖

2.2 控制回路設(shè)計

永磁電機矢量數(shù)字控制系統(tǒng)的控制回路以DSPFPGA芯片為核心，其中DSP主要完成矢量控制復(fù)雜算法、利用事件管理器計算PWM脈寬與網(wǎng)絡(luò)通訊包括SCI和SPI等功能，PFGA主要完成A/D轉(zhuǎn)換控制信號、CORDIC旋變解碼算法實現(xiàn)，各類故障保護判斷處理、IGBT脈沖觸發(fā)信號反相與死區(qū)時間設(shè)定等功能［6］。如圖3所示，由FPGA產(chǎn)生10kHz的方波信號，經(jīng)過濾波/功率放大電路得到旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入正弦信號UR1-R2，其輸出信號US1-S3、US2-S2中含有轉(zhuǎn)子的位置信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入到FPGA中進行解碼，解碼得到轉(zhuǎn)角正余弦值與轉(zhuǎn)速值送入DSP閉環(huán)控制。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的ADS8344，其是一款高速、低功耗、16位逐次逼近型，最大采樣速率為100kHz芯片。其中需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號包括三相電流信號、母線電壓、系統(tǒng)運行溫度和端子口輸入的模擬信號。由于在永磁電機矢量數(shù)字控制系統(tǒng)中，定子電流和母線電壓的檢測精度和實時性關(guān)系到整個控制系統(tǒng)性能。為此，本系統(tǒng)選用型號為CSCA0100A000B15B01的霍爾電流傳感器來檢測電流，它的線性度、動態(tài)性能和抗干擾能力要強于一般的傳感器。核心控制芯片還包括其他的相對簡單的外圍設(shè)備，如時鐘、JTAG下載口、外擴FLASH與RAM等，下文著重介紹CORDIC旋變解碼算法的FPGA純硬件實現(xiàn)，DSP與FPGA之間的SPI數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)與DSP算法現(xiàn)實的軟件設(shè)計。

2.3 CORDIC旋變解碼算法的設(shè)計

設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器原邊輸入正弦電壓為：

則副邊繞組感應(yīng)輸出電壓為：

式中：E0為勵磁電壓幅值；Um為副邊繞組感應(yīng)輸出電壓向量的模；ω為勵磁電壓角頻率；k為旋轉(zhuǎn)變壓器變比；θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。

Um的大小可以通過輸出電壓的兩個分量的合成求得，其正負(fù)方向取決于原邊輸入電壓的方向，即為輸入信號的同步方波d：

轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)值為：

其中d為輸入電壓信號的同步方波信號：

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ的正弦和余弦函數(shù)可以看成以1為模的空間旋轉(zhuǎn)矢量，其轉(zhuǎn)速為：

將上式化為差分格式為：

所以旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法的信號處理過程如下圖4所示。

CORDIC算法迭代模式有三種，三種模式［7］可以用統(tǒng)一的表達(dá)式（9）來表示；

圖4 旋變解碼過程

式中i為旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，為旋轉(zhuǎn)角度累加，di為旋轉(zhuǎn)方向，di=-1表示順時針旋轉(zhuǎn)，di=1表示逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)m=1為圓周旋轉(zhuǎn)模式，m=0或-1分別是線性旋轉(zhuǎn)和雙曲旋轉(zhuǎn)模式。針對輸入向量的不同，di有兩種表達(dá)：

本文采用圓周旋轉(zhuǎn)模式的直角向量方式進行迭代運算，其解碼的初始條件為：

迭代算法的表達(dá)式為：

經(jīng)過n次迭代后，y趨近于零，旋轉(zhuǎn)變壓器副邊繞組感應(yīng)輸出電壓向量的?？梢杂上率降玫剑?/p>

其中 kn為伸縮因子［7］如下式（14）計算，其值為0.6037。

具體實際到硬件電路中用以下移位實現(xiàn)：

如圖5為正余弦值算法結(jié)構(gòu)圖，圖6為用Verilog語言［8］編寫經(jīng)Quartus II軟件綜合后的旋變解碼的RTL視圖。

圖5 正余弦值和轉(zhuǎn)速算法結(jié)構(gòu)

圖6 模塊的RTL視圖

2.4 DSP與FPGA間SPI數(shù)據(jù)通訊設(shè)計

SPI數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡單，連線少，且是全雙工的通訊方式，只需要4根線：clk同步時鐘信號、mosi主端輸出/從端輸入數(shù)據(jù)信號、miso主端輸入/從端輸出數(shù)據(jù)信號、cs從端片選段，SPI數(shù)據(jù)通信的同步串行傳輸順序是高位先傳、低位后傳。根據(jù)開始數(shù)據(jù)采樣的邊沿及時鐘的空閑狀態(tài)不同，SPI通信可分為4中模式［9］，本文采用模式0進行通信，即在未通信是clk為低電平，當(dāng)片選信號下降沿有效時且為時鐘信號的下降沿時發(fā)送數(shù)據(jù)，在時鐘信號的上升沿接收數(shù)據(jù)。在本控制系中，將FPGA設(shè)置為SPI通信的主模塊，DSP為從模塊，如圖7所示，SPI通信主模塊FPGA實現(xiàn)圖。

圖7 SPI通訊FPGA設(shè)計

3 軟件設(shè)計

整個控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括DSP控制軟件和FPGA控制軟件兩部分組成，由于DSP是系統(tǒng)主控單元，這里著重介紹DSP子系統(tǒng)的軟件設(shè)計。DSP程序設(shè)計總體上分為初始化程序、功能模塊程序與中斷服務(wù)程序3部分組成。初始化程序包括DSP硬件與軟件變量的初始化，主要在主程序中完成，如圖8所示。功能模塊包括人機界面與SPI通信，中斷服務(wù)程序包括PWM中斷子程序和SPI通信中斷子程序，PWM中斷子程序是實現(xiàn)矢量控制的核心程序，其包括坐標(biāo)變換、電流采樣、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)更新、磁鏈觀測與SVPWM信號產(chǎn)生等功能，具體的程序流程如圖9所示。

圖8 主程序流程圖

圖9 PWM中斷服務(wù)程序

4 實驗結(jié)果

本文采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812和ALTERA公司的CYCLONE IV系列FPGA芯片EP4CE6F17C8為核心控制板，采用模塊化編程設(shè)計思路，基于CORDIC變換的旋變解碼算法的Modelsim仿真波形如圖10所示，圖10包含旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入信號、同步方波處理信號與解碼后輸出的轉(zhuǎn)角正余弦值等信號。接著在一臺永磁電動機上進行實驗，電機相關(guān)參數(shù)如下：額定功率Pn=22kW，額定電壓Un= 90V，額定頻率fn=150Hz，定子阻值Rs=0.121Ω，d軸電感Ls=0.0965mH，q軸電感Lq=0.2804mH，極數(shù)P=6。圖11是DSP與FPGA進行SPI通信是的片選cs和clk時鐘信號，其表明控制系統(tǒng)通信成功。圖12是A相與B相的SVPWM波形和線電壓SVPWM波形，證明該控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性與準(zhǔn)確性。

圖10 CORDIC旋變解碼的輸入輸出及同步方波處理信號

圖11 SPI通訊片選與時鐘信號

圖12 AB相及線電壓SVPW波

5 結(jié)論

本文以DSP-FPGA為核心構(gòu)建的交流永磁電機矢量數(shù)字控制系統(tǒng)，并且采用CORDIC變換對旋轉(zhuǎn)變壓器進行解碼運算得到轉(zhuǎn)角正余弦函數(shù)值與轉(zhuǎn)速信息，控制板之間采用SPI同步串行通信來實現(xiàn)。DSP與FPGA既相互協(xié)調(diào)又完成各自獨立的功能。通過仿真結(jié)果與實際對一臺永磁同步電動機實驗表明，該控制系統(tǒng)設(shè)計合理，穩(wěn)定可靠，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單集成度高的優(yōu)點，是一種理想的矢量數(shù)字控制實現(xiàn)方案，可以廣泛應(yīng)用于以交流永磁電機為驅(qū)動裝置的電氣傳動中。

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（編輯 趙蓉）

Design of Digital Control System of Permanent Magnet Motor Based on DSP-FPGA

HONG Jian-feng，SONG Feng-lin，HUANG Shao-gang
（School of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

This paper presents the design of digital control system of permanent magnet motor based on DSPFPGA and permanent magnet motor FOC principles.It completes the overall structure and the design of corresponding hardware and software of digital control system.In order to improve the dynamic performance of the control system，This paper uses resolver decoding algorithm based on CORDIC to obtain angle cosine and sine value and speed information，And uses high-speed synchronous serial communication SPI between DSP and FPGA.Basis on the of the overall design and analysis，simulation by computer software and control experimental on actual permanent magnet motor results shows that the digital control system has a simple designed structure，better dynamic and static performance.Therefore，this control system has good prospect in practical applications.

permanent magnet motor；DSP-FPGA；field orientation control；CORDIC resolver decoding

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）06-0096-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.027

2014-08-27

江西省研究生創(chuàng)新專項資金資助（YC2013-S059）

洪劍鋒（1988—），男，南昌人，南昌大學(xué)碩士研究生，研究方向為電機及其控制，（E-mail）381613123@qq.com。