BAE公司開(kāi)發(fā)三向無(wú)刷永磁電機(jī)的面向現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)發(fā)出下一代高性能電機(jī)控制器的原型。

The Solution:
利用NI PXI平臺(tái)、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(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的電機(jī)控制器。

ACEIII檔電流
下一代電機(jī)控制器設(shè)計(jì)
BAE Systems Avionics 公司設(shè)計(jì)和制造軍事電子和監(jiān)視系統(tǒng)。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，航空電子部門不斷評(píng)估新工具和技術(shù)，用于減少新技術(shù)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)間隔時(shí)間。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里把時(shí)間用在開(kāi)發(fā)硬件和軟件上，這是我們持續(xù)成功的關(guān)鍵。

磁場(chǎng)定向控制（FOC），或者矢量控制，是一項(xiàng)新技術(shù)，它可以改進(jìn)各種電機(jī)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(gè)直流電機(jī)。愛(ài)丁堡的BAE Systems 公司伺服系統(tǒng)技術(shù)集團(tuán)，對(duì)增加峰值功率非常有興趣，因?yàn)樯?jí)后的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將為現(xiàn)有的電機(jī)提供額外的性能，并且通過(guò)在新設(shè)計(jì)中減少電機(jī)質(zhì)量來(lái)節(jié)省航空產(chǎn)品的重量。

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

FOC 技術(shù)
由傳統(tǒng)方波放大器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)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(dòng)。正弦整流解決了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，并且在低速電機(jī)上工作良好。但在速度更高時(shí)，PI 電流控制器必須提高頻率來(lái)跟蹤正弦電流，同時(shí)克服增加頻率和幅度的反電動(dòng)勢(shì)問(wèn)題。這將導(dǎo)致相位延遲，由于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的通量沒(méi)有以90 度作用于轉(zhuǎn)子，所以會(huì)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。基本上，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(lái)改進(jìn)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(dòng)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(lái)控制它們。再對(duì)控制器輸出進(jìn)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(jìn)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(shí)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(lái)解鎖15% 以上的無(wú)負(fù)載速度。FOC 控制使得這變?yōu)榭赡?，因?yàn)槲覀儾辉偈芟抻谀妇€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(zhǎng)，將相對(duì)關(guān)系改為母線電壓/。從這個(gè)比例，我們可以計(jì)算出母線電壓/2 除以母線電壓/ 等于1.1547，或者說(shuō)15% 的增加。

傳統(tǒng)的FPGA控制算法實(shí)現(xiàn)伴隨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榈谝淮蔚奈锢韺?shí)現(xiàn)會(huì)持續(xù)服役到產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的結(jié)束。通過(guò)使用NI LabVIEW FPGA Module 軟件進(jìn)行快速控制器原型化，我們甚至可以在開(kāi)始FPGA設(shè)計(jì)前就開(kāi)始測(cè)試和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)實(shí)際的硬件。

我們使用含有定點(diǎn)宏塊集的數(shù)學(xué)模型工具包來(lái)仿真FPGA的數(shù)學(xué)功能，進(jìn)行算法的開(kāi)發(fā)。我們可以迅速用G代碼來(lái)重寫定點(diǎn)算法，并且在NI公司的PXI 平臺(tái)或CompactRIO 可重配置控制和采集平臺(tái)上運(yùn)行。在編譯過(guò)程中，硬件描述語(yǔ)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(dòng)化的。VHDL 代碼通過(guò)PXI 機(jī)箱的背板，下載到NI PXI-7831R 的Virtex VC2V1000 中。PXI-7831R 提供了8個(gè)16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、8個(gè)16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及96個(gè)晶體管-晶體管邏輯I/O 管腳，用于使用內(nèi)插式終端卡進(jìn)行快捷的硬件連接。調(diào)試也很容易，因?yàn)槲覀兛梢詮娜我獾腇PGA寄存器中讀取數(shù)據(jù)，并且在運(yùn)行NI LabVIEW 的主機(jī)上顯示結(jié)果，而不影響FPGA 的運(yùn)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(yùn)行LabVIEW 軟件的NI PXI 嵌入式控制器的PXI 機(jī)箱和PXI-7831R 可重配置I/O 模塊。我們使用LabVIEW 圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境、LabVIEWFPGA 模塊來(lái)開(kāi)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(jī)的LabVIEW環(huán)境中對(duì)PXI-7831R FPGA進(jìn)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(jī)的Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的LabVIEW 軟件，提供了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和視覺(jué)化功能，這些也是使用LabVIEW 進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

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