開關磁阻電機全數(shù)字控制系統(tǒng)中FPGA的應用

摘要：提出了基于數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的開關磁阻電動機全數(shù)字控制系統(tǒng)，對DSP和FPGA的功能進行了分配。根據(jù)開關磁阻電動機的驅(qū)動要求，分析控制邏輯，由FPGA實現(xiàn)了電流斬波、角度位置和PWM電壓斬波相結合的控制方案。仿真結果表明，設計的開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)具有高效、實時、動態(tài)性能好等優(yōu)點。

關鍵詞：開關磁阻電動機；全數(shù)字控制系統(tǒng)；數(shù)字信號處理器；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言

開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)(SRD)是由雙凸極開關磁阻電動機(SRM)、功率變換器、控制器以及檢測器等組成的一種新型調(diào)速電動機系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的直流和交流調(diào)速系統(tǒng)相比較，開關磁阻電動機不僅保持了感應電動機的全部優(yōu)點，而且電機結構簡單，控制方便，運行可靠，成本低，效率高。本文設計的開關磁阻電動機全數(shù)字控制系統(tǒng)選用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作為主控制器，Xilinx公司的FPGA芯片XC2S150E作為輔助控制器構成硬件控制方案。

由于SRD系統(tǒng)的非線性，使得用普通的定參數(shù)PID調(diào)節(jié)器進行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)時，控制性能不夠理想。模糊控制是目前應用較多的一種智能控制方法，無需被控對象準確的數(shù)學模型即能實現(xiàn)較好的控制效果。如今SRM正越來越多的被用于高速甚至超高速場合，這對控制系統(tǒng)的實時性也提出了更高的要求。由于FPGA具有現(xiàn)場可編程的特點，并且它使系統(tǒng)內(nèi)可再編程技術，使系統(tǒng)內(nèi)的硬件功能可以像軟件一樣被編程并隨時配置，使得所有的邏輯電路都在一個芯片上實現(xiàn)，省去了芯片之間的連線，硬件可靠性高，運算速度快，所以更適合應用于高速電機的調(diào)速系統(tǒng)中。

全數(shù)字化開關磁阻電動機的控制器把高性能數(shù)字信號處理器DSP和先進的模糊控制算法相結合，把FPGA和數(shù)字電路的設計相結合，克服了模擬元器件的缺點并且解決了SRM的非線性帶來的一系列問題。

1 SRD系統(tǒng)的組成

SRD主要由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器4大部分組成，如圖1所示。SRM是SRD中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD有別于其他電動機驅(qū)動系統(tǒng)的主要標志。功率變換器向SRM提供運轉(zhuǎn)所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電?？刂破魇钦麄€調(diào)速系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對SR電機運行狀態(tài)的控制。

在SRD中，功率變換器是整個系統(tǒng)的重要組成部分，通過工作在開關狀態(tài)執(zhí)行控制輸出信號，將電源電能在適當時段提供給各相繞組來驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此功率變換器的設計必須與電機及控制器一起綜合考慮，使其能協(xié)調(diào)工作。本文采用雙開關式功率變換器主電路如圖2所示，以IGBT作為主開關器件，其驅(qū)動電路選用IR公司的浮地驅(qū)動芯片IR2130實現(xiàn)。SRM的可控參數(shù)較多，控制方法靈活。常采用在低速時選擇電流斬波控制(CCC)和高速時選擇角度位置控制(APC)的混合控制方法。

2 基于DSP和FPGA的全數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)

由于采用了DSP和FPGA并行處理數(shù)據(jù)和控制的方法，所以需要對DSP和FPGA實現(xiàn)的功能進行合理的劃分，圖3是DSP和FPGA之間的接口和功能分配圖。

本設計中DSP主要用于模糊控制算法的實現(xiàn)，并負責模擬量的采集和控制量的輸出，而FPGA完成速度檢測、驅(qū)動與保護、位置細分等工作。同時為了保證DSP與FPGA之間正確的數(shù)據(jù)交換，由主要輸出量對系統(tǒng)的可靠性進行檢測。DSP與FPGA之間通過目前電子設計中大量采用的FIFO接口聯(lián)系在一起。