BAE公司開發(fā)三向無刷永磁電機的面向現(xiàn)場的控制研究

Author(s):
Brian Mann - Selex-Galileo

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
PXI-7831R, PXI/CompactPCI, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
快速開發(fā)出下一代高性能電機控制器的原型。

The Solution:
利用NI PXI平臺、LabVIEW 7Express、LabVIEW 7 FPGA模塊和PXI-7831R型可重配置I/O模塊在Xilinx FPGA芯片上實現(xiàn)全數(shù)字化的電機控制器。

ACEIII檔電流
下一代電機控制器設(shè)計
BAE Systems Avionics 公司設(shè)計和制造軍事電子和監(jiān)視系統(tǒng)。為了保持競爭力，航空電子部門不斷評估新工具和技術(shù)，用于減少新技術(shù)的設(shè)計生產(chǎn)間隔時間。我們在實驗室里把時間用在開發(fā)硬件和軟件上，這是我們持續(xù)成功的關(guān)鍵。

磁場定向控制（FOC），或者矢量控制，是一項新技術(shù)，它可以改進各種電機的轉(zhuǎn)矩- 速度特性，而我們公司的大多數(shù)產(chǎn)品都集成了至少一個直流電機。愛丁堡的BAE Systems 公司伺服系統(tǒng)技術(shù)集團，對增加峰值功率非常有興趣，因為升級后的電機驅(qū)動器將為現(xiàn)有的電機提供額外的性能，并且通過在新設(shè)計中減少電機質(zhì)量來節(jié)省航空產(chǎn)品的重量。

同時，隨著FPGA 性能的提高，我們不僅可以使用FPGA 進行電機控制，還可以進行伺服系統(tǒng)控制。我們使用NI 公司的產(chǎn)品進行快速地原型化，顯著地降低了新技術(shù)在設(shè)計早期帶來的風(fēng)險。

FOC 技術(shù)
由傳統(tǒng)方波放大器驅(qū)動的電機受限于整流誤差引起的不理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性和轉(zhuǎn)矩脈動。正弦整流解決了轉(zhuǎn)矩脈動問題，并且在低速電機上工作良好。但在速度更高時，PI 電流控制器必須提高頻率來跟蹤正弦電流，同時克服增加頻率和幅度的反電動勢問題。這將導(dǎo)致相位延遲，由于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的通量沒有以90 度作用于轉(zhuǎn)子，所以會造成每安培轉(zhuǎn)矩的損失。這種影響由轉(zhuǎn)矩- 速度（TS）圖中的曲線表示?；旧?，TS曲線包含兩條線，水平線是決定最大速度的電壓限制，而垂直方向是決定最大轉(zhuǎn)矩的電流限制。

我們使用FOC 來改進TS 特性。這種整流方法利用變送器將正弦電流和編碼位置變換至轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的d-q參考幀。d和q部分是直流的，所以很容易使用PI 控制器來控制它們。再對控制器輸出進行反變換，輸出正確相位和幅度的電壓波形以保持通量與轉(zhuǎn)子的90 度夾角，進而獲得最大的電流到轉(zhuǎn)矩功率轉(zhuǎn)換。

空間矢量調(diào)制和FPGA 實現(xiàn)
利用全數(shù)字化控制，我們可以使用空間矢量調(diào)制（SVM）來解鎖15% 以上的無負載速度。FOC 控制使得這變?yōu)榭赡?，因為我們不再受限于母線電壓/2的經(jīng)典整流限制了。SVM的三角特性遵循30度、60 度和90 度三角和1、2 及邊長，將相對關(guān)系改為母線電壓/。從這個比例，我們可以計算出母線電壓/2 除以母線電壓/ 等于1.1547，或者說15% 的增加。

傳統(tǒng)的FPGA控制算法實現(xiàn)伴隨著巨大的風(fēng)險，因為第一次的物理實現(xiàn)會持續(xù)服役到產(chǎn)品設(shè)計周期的結(jié)束。通過使用NI LabVIEW FPGA Module 軟件進行快速控制器原型化，我們甚至可以在開始FPGA設(shè)計前就開始測試和進一步開發(fā)實際的硬件。

我們使用含有定點宏塊集的數(shù)學(xué)模型工具包來仿真FPGA的數(shù)學(xué)功能，進行算法的開發(fā)。我們可以迅速用G代碼來重寫定點算法，并且在NI公司的PXI 平臺或CompactRIO 可重配置控制和采集平臺上運行。在編譯過程中，硬件描述語言（HDL）的生成、邏輯分析、HDL 仿真以及擺放和布線操作都是完全自動化的。VHDL 代碼通過PXI 機箱的背板，下載到NI PXI-7831R 的Virtex VC2V1000 中。PXI-7831R 提供了8個16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、8個16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及96個晶體管-晶體管邏輯I/O 管腳，用于使用內(nèi)插式終端卡進行快捷的硬件連接。調(diào)試也很容易，因為我們可以從任意的FPGA寄存器中讀取數(shù)據(jù)，并且在運行NI LabVIEW 的主機上顯示結(jié)果，而不影響FPGA 的運行。

快速系統(tǒng)組件原型化
我們用于研究新型技術(shù)的快速原型化系統(tǒng)包括了裝有運行LabVIEW 軟件的NI PXI 嵌入式控制器的PXI 機箱和PXI-7831R 可重配置I/O 模塊。我們使用LabVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境、LabVIEWFPGA 模塊來開發(fā)所有的系統(tǒng)部件。正如上面描述的那樣，我們直接在主機的LabVIEW環(huán)境中對PXI-7831R FPGA進行配置和編程。編譯后的LabVIEW 代碼可以直接下載到FPGA 中。在主機的Windows操作系統(tǒng)下運行的LabVIEW 軟件，提供了系統(tǒng)監(jiān)測和視覺化功能，這些也是使用LabVIEW 進行開發(fā)的。

通過使用NI 公司的PXI-7831R FPGA，我們使用最少的時間和儀器投資，向客戶演示了新技術(shù)。在沒有VHDL學(xué)習(xí)經(jīng)歷的情況下，我們創(chuàng)建了40kHz的實時控制器， 遠遠超出了以前使用的單點I/O的性能。