基于FPGA和CORDIC算法的交流电动机直接转矩控制
基于FPGA的电机控制器设计与优化
基于FPGA的电机控制器设计与优化电机控制是现代工业中非常重要的一项技术。
随着科技的不断进步，基于FPGA（现场可编程门阵列）的电机控制器越来越受到关注和应用。
本文将介绍基于FPGA的电机控制器的设计与优化方法。
首先，我们需要了解什么是FPGA。
FPGA是一种可编程逻辑器件，可以根据特定的需求而重新配置其内部电路。
相比于传统的ASIC（专用集成电路）设计，FPGA具有灵活性更高、设计周期更短等优势。
因此，基于FPGA的电机控制器可以实现更高效、更智能的控制方案。
在设计基于FPGA的电机控制器时，首先需要明确控制目标。
不同类型的电机有不同的控制要求，例如直流电机、交流电机等。
接下来，我们需要选择合适的FPGA芯片。
常见的FPGA芯片供应商有Altera、Xilinx等，根据实际需求选择适合的芯片型号。
在电机控制器设计的过程中，我们需要采用一种合适的控制算法。
常见的控制算法包括PID控制算法、模型预测控制算法等。
根据电机的特性和性能要求选择合适的控制算法，并在FPGA芯片上实现该算法。
在FPGA上实现电机控制算法可以通过硬件描述语言（如VHDL、Verilog）来进行。
在编写硬件描述语言的代码之前，我们需要先进行电路结构的设计。
根据控制算法的需求，设计电路结构，包括逻辑门、寄存器、计数器等。
设计完电路结构后，我们可以编写对应的硬件描述语言代码。
根据电路结构设计的结果，编写代码描述电路的逻辑功能。
代码编写完成后，可以进行仿真验证，确保代码的正确性。
在代码编写完成后，需要进行综合和布局布线。
综合是将硬件描述语言代码转化为逻辑门级的电路网表，布局布线是将电路网表映射到FPGA芯片的物理结构上。
这两个步骤是将代码转化为实际可用的电路的关键步骤。
设计完成后，我们需要进行电机控制器的优化。
优化可以从多个方面进行，例如功耗优化、面积优化、性能优化等。
通过优化，可以提高电机控制器的效率和可靠性。
优化的方法包括逻辑优化、时序优化、资源共享等。
基于FPGA的电机DSVM直接转矩控制实现
基于FPGA的电机DSVM直接转矩控制实现楼忠兴（浙江义乌工商学院计算机工程系,浙江义乌322000）[摘要]针对传统直接转矩控制方案中转矩波动问题，提出了一种基于离散空间矢量调制(DSVM)技术的电机直接转矩控制(DTC)的控制系统。
该系统采用FPGA作为核心器件，极大地减少了分离元件的使用，具有极大的灵活性、扩展性和通用性，抗干扰能力强。
仿真和实验结果证明了所提出的基于DSVM电机直接转矩控制算法能够有效减小转矩脉动。
[关键词]直接转矩控制；DSVM；FPGA[中图分类号]TM343.01.2[文献标识码]A[文章编号]1000-3983(2010)02-0034-04The Application of FPGA in DTC Contr ol System Based on DSVMLOU Zhong-xing(Department of Computer,Yiwu Industrial&Commercial College,Yiwu322000,China) Abstract:Direct torque control using the pure integral voltage model for torque observation will cause the fluctuations of torque.An improved direct torque control(DTC)system based on discrete space vector modulation(DSVM)is presented.FPGA is used as the core of the system,it implements the most logic functions.The distinctive advantages of the system are flexible, expandable,stable,simple and compact.The simulation and experimental results show the feasibility of the new method.Key wor ds:direct torque control;DVSM;FPGA引言直接转矩控制技术(简称DTC)是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术[1]。
基于FPGA的旋转变压器CORDIC解码算法的研究
基于FPGA的旋转变压器CORDIC解码算法的研究吴洋，郭来功，李桂阳(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001)摘要：针对旋转变压器解码系统测量精度不高、解码周期长、占用F PG A资源多的问题，设计一种改进型流水线结构的旋转变压器CORDIC(座标旋转数字计算法）解码算法。
通过分析反正切函数的特征，对旋转变压器的输出信号进行角度变换，对测量角度进行全平面扩展，将CORDIC解码算法中复杂的三角函数运算转化为一系列简单的移位和求和运算。
算法以F P G A为硬件载体，采用Verilog HDL语言实现。
研究结果证明，改进型的CORDIC解码算法测量精度可达1%。
，动态响应小于1 满足电机转速测量的高精度、低延时需求，对复杂环境下的电机转速研究和应用具有重要的价值。
关键词：旋转变压器；CORDIC算法；角度变换;现场可编程门阵列中图分类号:TN47 文献标识码:A 文章编号：1000 -8829(2018)02-0038-04 Research on CORDIC Decoding Algorithm of Resolver Based on FPGAWU Yang, GUO Lai-gong, LI Gui-yang(College of Electronical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China) Abstract：In order to solve these problems that the measurement accuracy of the resolver decoding system is not high, the decoding period is long, and the FPGA resources are occupied too much, an improved coordinate rotation digital computer( CORDIC) decoding algorithm for pipeline transformer was designed. By analyzing the characteristics of the arctangent function, the angle transformation was conducted for the output signal of the resolver, and all the measurement angles were extended. The complex trigonometric functions in the CORDIC decoding algorithm were transformed into a series of simple shift and summation operations. The algorithm uses FPGA as the hardware carrier and adopts Verilog HDL language. The results show that the accuracy of improved CORDIC decoding algorithm can achieve \%c^ and the dynamic response is less than 1 [xs, which satisfy the demands of high precision and low delay of the motor speed measurement. It is of great value to the research and application of the motor speed in complex environment.Key words：resolver; CORDIC algorithm; angle transformation; FPGA位置检测或角度测量常被用在各类交直流伺服系 统、工业检测系统中，其中光电编码盘法和旋转变压器 法为常用的测量手段。
基于FPGA的电机控制
基于FPGA的电机的控制指导老师:王彦作者:刮国文刘智聪王明海(第15组)摘要：目前，电机在控制系统中的应用越来越广泛，由此凸现了电机控制的重要性。
本文简单介绍了步进电机和伺服电机的原理和特点，并根据两种电机的不同特性设计了基于FPGA的不同的控制电路：以PWM变频来控制步进电机的转速；以调节脉冲的占空比大小改变输出电压的大小来控制伺服电机的转速。
关键字：步进电机伺服电机电机控制PWM 占空比Design of the Motor-Control Based on FPGAAbstract: At present, the motor is playing a more and more important part in the application of auto-control system; It impels us continuously to study how to master the motor techniques. This paper simply introduced the principles and the characters of current-motor and step-motor; On the basis of those, we designed the driving circuit for both the current-motor and the step-motor based on FPGA: changing the frequency with PWM(脉宽调制电路) to control the speed of step-motor, changing the volume of output-voltage with adjusting the duty cycle (占空比) of impulses to control the speed of current-motor.Keyword: Step-motor Servo-motor Motor-controlPWM Duty cycle目录第一章总体设计 (3)第二章单元电路设计 (6)1.步进电机驱动电路设计 (6)2.伺服电机驱动电路设计 (6)第三章软件设计 (7)第四章系统测试 (9)第五章结论及参考文献 (9)第六章附录 (10)一.总体设计1．电机简介1.1.1.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
CORDIC算法在正余弦函数中的应用及其FPGA实现_常柯阳
{
yi
>> i
zi sign( z i )
θi +/ -
ìx n = cos θ ï 其中设增益 í y n = sin θ ， ï z ® 0 î n
+/ xi + 1 xn - 1
>> n - 1
+/ yi + 1 yn - 1
>> n - 1
zi + 1 zn - 1 sign( z n - 1) θn - 1 +/ zn
广东工业大学 自动化学院， 广州 510006 Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China CHANG Keyang, ZENG Yuenan, CHEN Ping, et al. Application of CORDIC algorithm in sine & cosine function and its implementation on FPGA. Computer Engineering and Applications, 2013, 49 （7） ： 140-143. Abstract：Sine & cosine function is used broadly in engineering. Ordinarily, lookup-table algorithm implements easily, but a large amount of memory units are necessary and the contradiction between accuracy and the mount of memory units is acute. Traditional CORDIC （Coordinate Rotation Digital Computer） algorithm can achieve higher accuracy with less memory units, but needs more hardware resource and has long output delay. A new architecture combined with lookup-table and CORDIC algorithm is proposed. The design, simulation and hardware testing based on FPGA of the improved algorithm have been completed which indicates that it can achieve higher accuracy and lower output delay with less hardware resource and few memory units. Key words： CORDIC algorithm; lookup-table; sine & cosine function; Field Programmable Gate Array （FPGA） 摘 要： 正余弦函数在工程实现中应用很广泛。常用的查找表方法实现简单， 但占用存储器资源较多， 计算精度与存储容
基于FPGA的Cordic算法实现的设计与验证
基于FPGA的Cordic算法实现的设计与验证CORDIC(Coordinate RotationDigita1Computer)算法即坐标旋转数字计算方法，是J?KVO1/r1于1959年首次提出，主要用Q⅝函数、双曲线、指数、对数的计算。
该算法通过基本的加和移位运算代替乘法运算，使得矢量的旋转和定向的计算不再需要三角函数、乘法、开方、反三角、指数等函数。
本文是基于FPGA实现Cordic算法的设计与验证，使用Veri1og HD1设计，初步可实现正弦、余弦、反正切函数的实现。
将复杂的运算转化成FPGA擅长的加减法和乘法，而乘法运算可以用移位运算代替。
CordiC算法有两种模式，旋转模式和向量模式。
可以在圆坐标系、线性坐标系、双曲线坐标系使用。
本文线初步实现在圆坐标系下的两种模式的算法实现。
Cordic算法简化旋转模式，迭代位移算法。
假设有一点PO(xθ,yθ),经过逆时针旋转角度θ,到达点Pm(xm,ym),我们根据数学运算可以得到公式如下：xm=xOcosθ-yθsinθ=cosθ(xθ-yθtanθ)ym二yOcosθ+xθsinθ=cosθ(yθ-xθtanθ)如果不考虑旋转后的向量模值，只考虑旋转角度，即去掉cos。
，得到如下方程式。
这里旋转的角度的正确的，但X和y的值增加。
cosθ值是小于等于1的，值大于等于1所以模值应该增大。
我们不能通过适当的数学计算去掉COSθ,但是去掉COSO项可以方便我们后面的坐标平面旋转的计算。
这里称为伪旋转。
xθ-yθtanθxmym-yθ-xθtanθCordic的方法核心就是伪旋转，将旋转角θ细化成若干个大小固定的角度θi,规定满足tanBi=2^-i,通过一系列的迭代旋转，每次旋转θi,i为迭代次数，规定ΣBi的范围即旋转角度θ的范围为［-99.7,99.7］。
如果θ的大于这个范围则可通过三角运算操作转化到该范围的角度。
我们通过事先将所有每次旋转的角度计算出来，由于每次旋转的角度是固定的，所以经过i次旋转的EOi可能会超过O,所以就必须设置一个方向值di,如果旋转角度之和己经小于θ,则di为1下次旋转继续为顺时针旋转，如果旋转角度之和大于。
交流电机直接转矩控制策略综述
直接转矩控制的基本 原理与实现方法
直接转矩控制的基本原理是通过控制 电机的电压和电流，实现对电机定子 磁链的幅值和相位的控制，进而实现 对电机转速的精确控制。其核心是采 用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技 术，通过计算得到所需的电压矢量， 实现对电机的精确控制。
直接转矩控制的优化 方法
为了进一步提高直接转矩控制的性能 ，许多学者提出了各种优化方法。其 中包括采用模糊逻辑、神经网络等智 能控制方法，以及采用预测控制、自 适应控制等现代控制方法。
缺点
03
对电机参数依赖较大，鲁棒性较差。
电流型直接转矩控制
控制原理
通过实时计算电机转矩和磁通量，并控制电流矢量以实现转矩和磁通量的解耦控制。
优点
对电机参数依赖较小，鲁棒性较好。
缺点
控制结构较为复杂，计算量大，调速范围较窄。
矢量控制与直接转矩控制的比较
01
控制原理
矢量控制通过将电流分解为直轴和交轴电流，分别控制电机的转矩和
控制优化
根据性能评估结果，对控制算法进行改进和优化，提高控制性能和系统稳定性。
06
总结与展望
研究成果总结
提出了一种新颖的直接转矩控制策略 ，有效提高了交流电机的动态性能和 鲁棒性。
针对不同类型和应用场景的交流电机 ，研究了一系列优化控制算法，实现 了高效的转矩控制。
通过实验验证了所提策略的有效性， 与现有方法相比，所提方法具有更高 的控制精度和更低的能耗。
使用现场可编程门阵列（FPGA）作为控制器，具有高并行度和高灵活性。
控制算法
FPGA控制器实现各种控制算法，包括空间矢量控制、直接转矩控制等，以提高 电机控制的性能和速度。
基于PLC的实现方法
PLC控制器
FPGA之CORDIC算法实现_理论篇（上）
FPGA之CORDIC算法实现_理论篇（上）关于cordic的算法原理核⼼思想就是规定好旋转⾓度，然后通过不停迭代逐步逼近的思想来实现数学求解，⽹上关于这部分的资料⾮常多，主要可以参考：Xinlinx⾃带的官⽅说明⽂档也⾮常值得参考，⽂章末尾会补充相关参考资料。
1、cordic的优化算法：1）2）第⼀次旋转，为旋转⽅向3）第⼆次旋转，为旋转⽅向式⼦⼀直都会有和，每次都可以提取。
虽然FPGA⽆法计算，但，因此可以执⾏和效果相同的移位操作来取代。
对于，可以预先全部提取出来，然后等待迭代结束之后，再把因为简化计算过程抽出的还原回去即可。
2、公式总结：提取，2-i等效替换成1）2）3）迭代过程：i从0开始迭代，假设当时，趋向于0(i从0⾄n-1)，得到点，此时点就近似等于之前假设的点，此时将之前抽出的还原回去。
进⼀步将式⼦转化，可得注意：，的极值为1，因此当i的次数很⼤，的值趋于⼀个常数。
3、求解sina，cosa的起点取值问题设起点（x0，y0），当i = n-1时，迭代结束，到达终点（xn, yn), 因为中间⽤了伪旋转，所以结果必须要乘以为了简化计算过程抽出的，因此有观察上⾯的式⼦，我们的⽬标是根据迭代后的xn、yn求出sina，cosa，因此可设可将（1）化简得到上式中的xn，yn是经过迭代后的结果，⽽不是之前⼀开始假设的点（xn，yn），要注意区分这⼀点。
因此，我们可以观察到，最后正余弦的求解仅仅是以初始点的设置以及的值有关，可以预先通过matlab求解预存起来，⼀般经过16次的迭代后就逐渐趋于稳定。
下⼀篇，我会接着来讲⽤FPGA来实现这个Cordic算法。
基于FPGA的交流电机矢量控制系统的实现
可实现灵活的控制算法，扩展性强，智能化水平高。本控制器采用单片FPGA，使
用模块化的设计方法，利用各种模块和IP(Intellectual Property)核复用技术，可实现灵 活的控制算法，具有很强的扩展性:适用于正弦波永磁同步电动机，直流无刷电动机， 感应电动机等不同电机的驱动控制，并兼容霍尔传感器、增量式、绝对式码盘等传感 器接口信号，具备了较高的智能化水平。
关键词：矢量控制 现场可编程逻辑门阵列 伺服控制
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
ABSTRACT
The development of modern motor control demands improvement of performance, reduction of the loss and decrease in the cost. On the other hand, qualifications and hard special applications system demands are raised. Therefore, research of integrated design for controller based on EDA technique and CPLD/FPGA device, which makes use of modern control theory, is one of the great directions of the development of motor control field. Not only is it of academic significance, it is of great economical and strategically significance as well. It will be popular for both military and civil use. on the basis of the Mathematical model of permanent magnetic synchronous motor and the theory of vector control, a digital motor control system realized on one chip FPGA, has been designed in this thesis. The implementation of functional modules, such as position measurement, PI regulator, vector transformation, SVPWM and communication is proposed. Meanwhile, designs of some peripheral interfaces are given. Thus a one-chip motor controller is carried out. Simulations and experimental analyses are carried on. To save the chip resource, thoughts of time-sharing and are applied in the design of sine look up table unit and duty ration calculating unit. The experimental result is given at last. This system completes the vector control algorithm，and it also can be applied as part of Position control system The project uses "Top － down" technology to develop core by dividing system according to it's function. At first, design and simulate on single module, secondly, on the whole system, at last verification using FPGA. The results proved the design scheme is reliable and perfect on function.
基于FPGA实现改进CORDIC算法研究
基于FPGA实现改进CORDIC算法研究胡煜【摘要】传统的CORDIC算法虽然能提高相位分辨率，但是硬件资源的消耗量很大，为了解决这个问题，对传统的CORDIC算法进行了改进，主要增加了内部相位累加器的位数，同时使用两位的方向控制因子改进下级流水操作的加减，在同等硬件资源的消耗量的情况下实现了更高相位分辨率的正余弦信号的产生。
通过QuartusⅡ和MATLAB验证了系统的可行性。
%Traditional CORDIC algorithm can improve the phase resolution, but consume considerable hardware resources. To solve this problem,the conventional CORDIC algorithm,in the great majority of cases,increases the medians in the internal phase accumulator,at the same time using the two-direction control factor to the lower pipeline addition and subtraction operations, and in the case of the same hardware resources consumption to achieves a higher phase resolution of the sine and cosine signal generation. The feasibility of the system is verified by QuartusⅡand M ATLAB.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】3页(P358-360)【关键词】CORDIC算法;控制因子;MATLAB;FPGA【作者】胡煜【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN702;TP301.5CORDIC算法也叫坐标旋转数字计算机算法，在基本运算领域应用非常的广泛。
fpga 交流伺服电机力矩模式
fpga 交流伺服电机力矩模式FPGA交流伺服电机力矩模式伺服电机是一种常用于精密控制系统中的电机，其能够根据输入信号精确地控制输出转矩或速度。
而FPGA（现场可编程门阵列）则是一种可编程逻辑器件，具有高度的灵活性和可重构性。
本文将探讨如何利用FPGA实现交流伺服电机的力矩模式控制。
在传统的伺服电机控制中，通常使用PID控制器来实现位置或速度控制。
然而，在某些应用中，需要对电机的输出力矩进行精确控制，以满足特定的工作需求。
这就需要使用力矩模式控制。
力矩模式控制是一种通过控制电机输出的力矩来实现精确控制的方法。
在这种模式下，输入信号被转换为电机的输出力矩，从而实现对负载的精确控制。
FPGA作为一种可编程逻辑器件，可以实现复杂的控制算法和实时数据处理，因此非常适合用于实现力矩模式控制。
在使用FPGA实现力矩模式控制时，首先需要将输入信号进行采样和数字化处理。
这可以通过FPGA上的模数转换器（ADC）来实现。
采样后的信号可以通过FPGA内部的逻辑电路进行处理，例如滤波、放大或校正。
然后，根据控制算法计算出所需的输出力矩，并将其转换为模拟信号。
为了实现精确的力矩控制，FPGA需要与伺服电机的驱动器进行通信。
驱动器负责将FPGA计算得到的控制信号转换为电机的实际输出。
这可以通过使用通信接口，如PWM（脉宽调制）或DAC（数模转换器）来实现。
在力矩模式控制中，还需要考虑到电机的动态响应和稳定性。
FPGA 可以实时监测电机的状态，并根据反馈信号进行调整，以保持稳定的控制。
这可以通过使用编码器或传感器来获取电机的位置或速度信息，并将其反馈给FPGA进行处理。
除了力矩模式控制，FPGA还可以实现其他高级控制功能，如位置模式控制、速度模式控制或扭矩限制等。
这使得FPGA成为一种非常灵活和强大的控制器，适用于各种应用领域。
总结起来，FPGA交流伺服电机力矩模式是一种利用FPGA实现精确控制电机输出力矩的方法。
通过采样、数字化处理、控制算法和通信接口，FPGA可以实现高度灵活和可重构的力矩模式控制。
FPGA在直接转矩控制中的应用
FPGA在直接转矩控制中的应用
张玉田;朱承高
【期刊名称】《电气传动》
【年(卷),期】2000(030)005
【摘要】This paper introduces a method of how to design a DTC system using FPGA and the development tendency in this field. An example is given.%本文以用FPGA实现的异步电动机的直接转矩控制为例，介绍了用FPGA 实现控制电路的步骤以及未来这个领域的发展趋势。
【总页数】3页(P11-13)
【作者】张玉田;朱承高
【作者单位】上海交通大学;上海交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM343.012
【相关文献】
1.FPGAs--支持DSP技术在实时视频处理中的应用 [J], David Nicklin
2.基于模糊理论的直接转矩控制策略在PMSM中的应用研究 [J], 黄英华;斯小琴;陈大伟;岳生伟
3.无传感器直接转矩控制在空调风机控制中的应用研究 [J], 杨辉
4.变速永磁同步发电机系统稳压控制(连载之四)直接转矩控制在发电机系统中的应用 [J], 缪冬敏;沈建新
5.2017年中国FPGA技术创新应用高端论坛暨2017年全国大学生FPGA创新设计邀请赛颁奖大会圆满落幕 [J],
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基于FPGA的小型交流电机变频控制系统研究的开题报告
基于FPGA的小型交流电机变频控制系统研究的开题报告一、选题背景和意义随着电子技术的飞速发展，FPGA技术逐渐在电力系统应用中发挥出其优势。
在交流电机控制领域，变频控制系统已经得到了广泛的应用，可以有效地控制交流电机的转速和转矩，提高其能效和稳定性。
本次论文的研究将基于FPGA技术，设计一款小型交流电机变频控制系统，实现对单相交流电机的转速和转矩的精确控制，并结合实验验证系统的性能和稳定性。
该研究有着广泛的应用价值，能够应用于诸如风力发电、太阳能发电、电动汽车等电力系统领域，为实现电力节能和环保做出贡献。
二、研究内容和方法该研究将主要涉及以下内容：1. 交流电机控制原理和变频技术原理的研究：通过文献资料和实验方法，深入了解交流电机的运行机理和变频控制系统的工作原理。
2. FPGA系统设计：选用VHDL语言设计FPGA内部逻辑电路，实现交流电机控制系统。
3. 硬件系统设计：设计交流电机控制板，该板集成了FPGA、驱动电路和单相交流电机，能够实现对单相交流电机的转速和转矩的精确控制。
4. 软件系统设计：基于LabVIEW软件，开发交流电机控制软件，实现对硬件系统的控制和调试，方便测试和应用。
三、预期成果与意义该研究的预期成果为：1. 设计出基于FPGA的小型交流电机变频控制系统，该系统能够实现对单相交流电机的转速和转矩的精确控制。
2. 通过设计实验验证系统的性能和稳定性，获得系统的实际运行情况数据。
3. 提高变频控制系统的控制精度和稳定性，并且可以缩小系统体积，降低系统成本。
本次研究的意义在于：1. 推动FPGA技术在电力系统中应用，提高电力系统的智能化程度。
2. 为促进电力节能和环保做出贡献，加速电力系统的清洁能源转型。
3. 为控制工程领域的相关研究提供参考和借鉴。
四、进度计划本次研究将按照以下计划进行：1. 前期准备阶段（1个月）：阅读相关论文和书籍，熟悉交流电机控制原理和变频技术原理。
2. 系统设计阶段（3个月）：设计FPGA内部逻辑电路和硬件系统，并完成软件系统的设计与开发。
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于
中 N = 1~ 6 , 如图 1 所示。
* s
将算出的定子磁通幅值 |
|与磁通的给定值
算 法 的 交 流 电 动 机 直 接 转 矩 控 制
| |进 行比较, 当估计磁通 s 大于最大值时 , 需要 减小磁通, 当估计磁通 s 小于最小值时 , 需要增大 磁通 ; 而当估计磁通
s
处于误差带之内时 , 则保持
CORD IC 算法 , 开发了一种基于 FPGA 的电动机控制系统 , 提高了交流电 动机控制系统 的快速性 和稳定性 , 在高性能 运动控制系统中具有重要的应用价值。实验结果表明 , 此系 统具有良好的动静态特性。 关键词 : 交流电动机 ; 直接转矩控制 ; FPGA; CORD I C 中图分类号 : T M 34 文献标识码 : A 文章 编号 : 1004- 7018( 2009) 08- 0057- 04
1 直接转矩控制系统的基本原理
直接转矩控制是用空间矢量的分析方法, 直接 在静止坐标系计算交流电机的转矩 , 采用定子磁通
收稿日期 : 2008 - 11- 13 改稿日期 : 2008 - 12- 25
上次的磁通变化趋势 , 但是当定子磁通处于六个扇 区分界处时, 应改变磁通变化趋势 , 这样在相同的磁 通误差带条件下, 磁通轨迹变化将减少 , 更趋近于一 个理想的圆, 并且逆变器开关频率也可以减少, 从而 保证最优的控制效果。 是磁通状态标志 , 当需要 增加磁通幅值时, 取 取 = 1 ; 当需要减小磁通幅值时, = 0 。 是转矩状态标志, 当需要增加转矩时,
Abstract : An AC mo tor contro l syste m based on FPGA w as presented . O n the basis of the analysis of the direct torque contro l theo ry and the use of the CORD IC a lgor ithm, an AC mo tor contro l sy stem based on FPGA w as designed. T h is system raised the rap idity and streng thened the stability , and it was o f great value in h igh- performance mo tion con tro l syste ms . Exper i m enta l results sho w the syste m has good dynam ic and static perfor m ances . K ey word s : AC m oto r ; DTC; FPGA; CORD I C
情况, 就可以事先确定输入逆变器的开关状态 [ S a, S b , S c ], 如表 1 所示 , 通过编程存储在 FPGA 中。在 控制过程中 , 由输入值 (N ) 、 和 就能得到输出 值 Sa、 S b、 S c, 再由输出值 S a、 S b、 S c 控制功率开关器 件的开通和关断 , 最终控制电机的运转。
微特电机
2009年第 8期
D
刘 辉, 邹 轩
( 上海理工大学 , 上海 200093)
驱动控制 rive and con trol
基于 FPGA 和 CORD IC 算法的交流电动机直接转矩控制
摘
要 : 提出一种 基于 FPGA 的 交流 电 机 控制 系 统。在 综合 分 析 交流 电 动机 直 接 转矩 控 制的 基 础上 , 运用
系统主要运行流程为 : 首先由测得的 ia、ib、ic 和 U s 经 3 / 2 变换得 到 is 、i us 和 us , 再经过 s 、
s
够根据要求的旋转角度 , 运用上面的迭代公式, 最终 旋转到目标角度。而本系统运用另一种模式: 矢量 模式 , 根据使 Y i 取小的原则, 确定旋转方向, 从而不
n- 1
2 is = ( i - isc ) 2 sb us = 2 1 1 u - u sb - u sc 3 sa 2 2 ( 3)
分为 N
2 us = ( u sb - u sc ) 2 再求出磁链幅值和电机的电磁转矩 :
s
=
i= 1
di
i
( d i = 1 或 d i = - 1)
( 6)
式中 : di 表示角度旋转的方向 , 其选值依 据以下公 式:
很难实现的, 但是通过 CORDIC 算法 , 就能实现这种 运算。 假设初始向量 ( X 0, Y 0 ) 旋转 角度之后得到向 量 ( Xn, Y n ), 则这两个向量有如下关系式: X n = X 0 cos - Y0 sin = co s (X 0 - Y0 tan ) Yn = Y0 cos - X 0 sin = co s ( Y0 - X 0 tan ) ( 5) 根据 CORDIC 算法基本原理 , 将角度 个小角度的和 , 有 :
i- 1
= = =
( u s - R s is ) d t ( u s - R s is ) d t
2 s
d i = - sgn ( 4) 且规定每个小角度 度, 即:
i i
j= 0
dj
j
( 7)
s
于
s
+
2 s
都是正切值为 2 的倍数的角 (i= 0 , 1 , 2 , , n - 1) ( 8)
和
0引
言
定向 , 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制, 以获 得转矩的高动态性能 , 它无需复杂的矢量变换与电 机数学模型的简化处理。 在直接转矩控制系统中, 磁通和转矩通常都是 通过双位滞环调节器来控制的, 其基本思想就是给 定一个圆环形磁通误差带 , 通过不断选取合适的电 压矢量 , 将磁通 s 的端点限制在误差带范围内, 从 而达到控制定子磁通的目的。为了确定各电压矢量 的作用区间, 沿 6 个 主电压矢量 对角线 方向将整个 圆周划 分为六个扇区 , 以变 量 (N ) 来表示, 其
表 1 逆变器开关状态表
(N ) =1 (1) (2) [ 0 1 0] [ 0 0 0] [ 1 0 0] [ 0 1 1] [ 1 1 1] [ 1 0 1] (3) [ 0 1 1] [ 1 1 1] [ 1 1 0] [ 0 0 1] [ 0 0 0] [ 1 0 0] ( 4) [ 0 0 1] [ 0 0 0] [ 0 1 0] [ 1 0 1] [ 1 1 1] [ 1 1 0] ( 5) [ 1 0 1] [ 1 1 1] [ 0 1 1] [ 1 0 0] [ 0 0 0] [ 0 1 0] ( 6) [ 1 0 0] [ 0 0 0] [ 0 0 1] [ 1 1 0] [ 1 1 1] [ 0 1 1] = 2 [ 1 1 0] = 1 [ 1 1 1] = 0 [ 1 0 1] = 2 [ 0 1 0] =0 = 1 [ 0 0 0] = 0 [ 0 0 1]
图 3 CORD IC 模块硬 件结构原理示意图
2
其中: 当 n 时, A n 1 . 646 76 。 在 FPGA 中 , 这部分工作 由 CORDIC 模块来 完 成。模块输入包括 X n _IN、 Yn _IN、 Zn _I N(
s
、s 、
0) 以及 MODE, MODE 是模式控制, 保持 1 以使其 在矢量模式运行; 输出包括 X n _OUT、 Yn _OUT、 Zn _ OUT, 分别为向量的 模、 0 和向 量的角度。 CORD IC 模块硬件结构原理示意图如图 3 所示, 其中的 ROM 中储存了 2 的值。
s
定子电压矢量表达式 : u s (Sa, Sb, S c ) = 2 U (S + S ej23 + S ej43 ) ( 1) b c 3 d a
-
坐标系
s
和角度 s 以及角度
,而 s是
式中: U d 为整流输出的直流电压值。 该系统中, 定子的电流和电压先经过 3 /2 变换 成 is 、is 和 us 、 us : is = 2 1 1 3 isa - 2 isb - 2 isc ( 2)
58
模
微特电机
2009年第 8期
D
2
驱动控制 rive and con trol
断地旋转逼近 X 轴 , 当 Y i = 0时 , 就能得到向量的模 - X n 和角度 - Zn, 运用上面的迭代公式 , 最终可以 得到: X n = An Yn = 0 Z n = Z 0 + tan
-1
X 0 + Y0 ( 10) Y0 X0
AC M otor DTC System Based on FPGA and CORD IC A lg orithm LIU Hu i , ZOU Xuan ( Un iversity of Shangha i for Science and T echno logy , Shanghai 200093 , Ch in a)
i - i -i
算 法 的 交 流 电 动 机 直 接 转 矩 控 制
( 9)
-j
Z i+ 1 = Z 0 j= 0
d j arctan ( 2 )
综上可以看出 , 对于移动的角度 , 现在只需要 硬件加减法器和移位器就可以算出结果。 CORD IC 有两 种运算模式。一是旋转模式 , 能
图 2 系统硬 件结构原理图
和 图 1 磁通扇区 划分图
s
随着电机调速理论和微电子技术的发展, 现代 交流调速系统的性能得到了极大的提升。微电子技 术的不断创新和发展, 使现代数字技术进入电子设 计自动化 EDA ( E lectron ic Design A utom ation) 时代 , EDA 设计广泛应用于包括电机控制在内的各 种控 制领域。 现代电机控制的发展 , 一方面要求降低损耗、 减 少成本 , 同时又在性能和技术指标方面提出了更高 的要求。可编程逻辑控制器件的高速度、 高性能、 可 重构和高可靠性等优点能够适应现代电机控制的发 展需求 , 是未来电机控制的发展方向之一。现场可 编程门阵列 ( FPGA ) 是一种可以编程的专用集成电 路, 通过专门的设计软件和线缆可对内部进行编程 , 得到所需的集成电路。与 DSP 等芯片所不同的是 , DSP 为流水线式顺序执行指令方式 , 而 FPGA 完全 是纯硬件器件, 因此在速度和可靠性方面与 DSP 等 相比具有明显的优势。