基于 FPGA的新型高性能永磁同步电机驱动系统设计

基于FPGA的新型高性能永磁同步电机驱动系统设计参赛队员：李宪全李伟亮指导教师：杨春玲（哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨）摘要：为了研制高性能的全数字永磁同步电机驱动系统，本文提出了一种基于FPGA的单芯片驱动控制方案。

它采用硬件模块化的现代EDA设计方法，使用VHDL硬件描述语言，实现了永磁同步电机矢量控制系统的设计。

方案包括矢量变换、空间矢量脉宽调制(SVPWM)、电流环、速度环以及串行通讯等五部分。

经过仿真和实验表明，系统具有良好的稳定性和动态性能，调节转速的范围可以达到0.5r/min~4200r/min，对干扰误差信号具有较强的容错性，能够满足高性能的运动控制领域对永磁同步电机驱动系统的要求。

关键词：永磁同步电机；FPGA；矢量控制The Design of a New PMSM Drive System Based on FPGA In order to get high-performance all-digital PMSM drive system, this article has designed a control scheme which is based on single chip FPGA. According to the modem EDA design methodology which is complished by hardware modular, the logical cirduits hasconstructed a vector control PMSM system, including coordinate transform, SVPWM, current loop, speed loop and serial communication. The simulation and test results show that the system has excellent stablity characteristic, dynamic performance and speed regulator range. So the system could meet the requirment of the application for PMSM driver in the high-precision field.Key Words: PMSM；FPGA；vector control引言在现代军事领域或民事工业中，运动控制技术占据着相当重要的地位，从数控机床、机器人到电动车等行业，都离不开对运动的精确控制。

其中，伺服系统做为运动控制的基础，更是决定着运动控制的性能指标。

而永磁同步电机由于具有效率高、转矩波动小、控制算法成熟、工作可靠等优点，能够在高速或低速时均达到良好的性能指标，逐渐成为了工业界应用最为广泛的高效率伺服电机，并得到了越来越多的关注。

因此，基于永磁同步电机的高性能交流伺服驱动系统已成为目前运动控制领域中的研究热点。

但是，随着应用领域对电机运转精度和速度的要求越来越高，传统的基于单片机或数字信号处理器(DSP)软件运算的控制系统，由于速度慢、开发周期长等弱点，已经越来越不适应现代高性能伺服系统的要求。

而为了改善软件控制系统的不足，增加系统的灵活性和可靠性，本文提出了一种基于FPGA的新型永磁同步电机驱动系统。

它采用了Altera公司推出的Cyclone系列FPGA芯片，利用其内部的可编程硬件逻辑电路，开发了大量的高性能伺服控制算法的IP核，通过对这些IP核的系统级集成，最终实现了整个片上系统的设计。

整个系统具有结构灵活、运行速度快、升级维护简单、可靠性高的优点，能够移植到不同工艺的FPGA平台中，满足了不同应用场合对交流伺服驱动系统的要求。

一系统工作原理永磁同步电机矢量控制原理结构框图如图1所示。

其主要由矢量变换环节、位置和速度检测环节、转速调节器环节、电流调节器环节以及SVPWM调制环节等几部分组成。

其中，矢量变换环节利用Clarke变换和Park变换，对电机三相定子电流进行坐标变换，得到了在旋转坐标系下的转矩分量和磁通分量，实现了对电机转矩和磁通的解耦。

而位置和速度检测环节主要用来为Park 变换和转速调节器提供反馈的位置和速度信息。

然后仿照直流电机的双闭环控制思想，引入转速、电流双环调节器，实现转速和转矩的无静差最优控制调节，从而获得媲美直流电机一样的控制特性。

调节器的输出经过PARK 反变换后，送入SVPWM 调制模块，形成驱动三相桥逆变器工作所需的六路PWM 信号，最终实现控制逆变器在电机空间形成圆形的旋转磁场的功能，拖动电机转子同步旋转。

图1 永磁同步电机矢量控制原理结构框图 1.1 按转子磁场定向的矢量控制原理根据电机旋转磁场理论可知，对交流电机三相绕组通入相位相差120°的正弦电流，即能产生空间圆形旋转磁场，拖动永磁同步电机转子旋转。

但是，电机的三相定子电流和旋转磁势是相互耦合的。

要想完成对电动机转矩和磁通的独立控制，实现对转速和转矩的高精度调节控制，就必须通过矢量变换对三相电流中的转矩分量和磁通分量进行解耦。

下面将介绍矢量变换控制算法的基本原理。

d si s i αi βas i 定子电流空间矢量图在图2中，αβ为静止坐标系，其中α轴固定在定子相绕组的轴线上；dq 为同步旋转坐标系，其轴固定在转子永磁磁场的轴线上；a d e θ为转子磁场相对于相绕组轴线的电角度。

在a αβ坐标系下定义电流空间矢量为j2π/3j4π/3s a b c s i i e i e i i i s αβ=++=+ (1) 对于三相无中线平衡系统，绕组各相电流之和为零，即0a b c i i i ++=。

因此，根据不同坐标系下空间矢量幅值不变原则，由式(1)可得Clarke 变换(三相两相变换) 为→s a s a bi i i i αβi ==⋅+ (2) 将s i α，s i β变换到旋转坐标系中，设dq s i 在坐标轴上的投影分别为，，则有Park 变换(dq ds i qs i αβ坐标系坐标系变换)为→dq cos sin sin cos ds as s qs s s i i i i i i βαβθθθθ=+=−+ (3) 对于多磁极的同步电机而言，在旋转坐标系中的电压方程为 dq ds ds s d qqs s qs q d u R i p u R i p φωφφωφ=+−=++ (4)其中，s R 为定子绕组电阻，p 为微分算子，ω为角速度，d φ，q φ分别为气隙磁通在轴上的分量。

定义,q d f φ为永磁体磁通，则坐标系下的转矩可表示为 dq 32(e n d qs q d T Pi i )s φφ=− (5) 当控制定子电流矢量s i 使之落在轴上，即令q 0,ds qs s i i i ==时，有32e n f qs T T Pi K i qs φ== (6) 式中32T n K Pf φ=为转矩常数。

根据式(6)可以看出，经过矢量变换后，永磁同步电机的转矩仅受定子电流轴分量控制，磁通保持恒定，因此，实现了对定子电流转矩分量和磁通分量进行解耦的功能。

另外，在坐标系下的电机表达式和直流电机的表达式相一致，即可以仿照直流电机控制系统中的双闭环算法进行控制，最终实现对转速和转矩的高动、静态性能控制。

q dq 1.2 空间矢量脉宽调制空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是现代高性能交流伺服驱动系统中广泛采用的一种调制策略，与正弦脉宽调制(SPWM)技术相比，SVPWM 的线性调制范围比SPWM 高出15%，而且可以实现由线性到六步模式的连续变化，在直流母线电压利用率等方面有着显著的优点。

SVPWM 一般是和矢量控制技术结合在一起的，也是伺服系统中对实时性要求最高的一个环节，非常适合于构成专用数字化硬件。

SVPWM 的基本理论如下所述。

在三相全桥逆变器中，设、、是绕组的相电压瞬时值，对于无中线的三相平衡系统，定义电压空间矢量为an u bn u cn u 2π/323()s an bn cn V u u u e γγγ=++=，j2 (7) 令s V 所在的静止坐标系的实轴α轴和相绕组的轴线重合，则a s V 在各相绕组轴线上的投影等于各相电压的瞬时值。

用数字表示三相的开关状态，1表示开关闭合，0表示开关断开，则逆变器在180°导通方式下的八种开关状态组合分别为(000)、(100)、(110)、(010)、(011)、(001)、(101)、(000)。

而按照公式(7)的定义，设它们对应的八个离散的定子电压空间矢量~，其数学表达式如公式(8)所示。

,,a b c 0V 7V (1)18032073,6)0n j n dc V U e V V −⋅===o L ， (n=1,2,， (8)对于任意的指令参考电压输出矢量，其在out U αβ静止坐标系下的两个空间坐标可分别表示为U α何U β。

而根据时间等效原理，可以用式(7)中的有效矢量和零矢量在时间上的平均作用来合成，即out U 11k k out k k T T U U jU V V T Tαβ++=+=+ (9 其中，T 为PWM 周期，和k V 1k V +分别对应于6个有效开关状态矢量~中相邻的两个，和分别是V 和1V 6V k T 1k T +k k V 1+的作用时间。

把式(8)代入式(9)中，得 133112()32(1)(1)(co s co s )(sin sin )3333j j k k o ut d c k k k k d c T T U U e e T T T T T T k k k U j T T T T 3k πππ⋅⋅+++=+−−⎡⎤=+++⎢⎥⎣⎦o o(k -1)180k180 π (10) 比较式(9)和(10)，令实数项和虚数项相等，可得相邻空间矢量所占时间的成分为1sin cos 33(1)(1cos sin )33k dc k dc k k T U U k k T U U αββαππ)ππ+=−−−=− (11)PWM 周期T 与未必相等，其间隙时间可以用零矢量来填补。

而为了减少功率器件的开关次数、降低功耗，一般在每次切换工作状态时，只切换一个功率开关器件，于是，电压空间矢量在不同扇区的工作序列需要按照一定的开关逻辑修改，即工作序列应为→→→→→→。

电压空间矢量工作序列与逆变器输出电压波形的关系图如图3所示。

1k k T T ++0(000)V 56V V VV 12VV 32V V 34V V 54V V 1612VV 1(100)4V (011)T 6T T +56T T T +61T T T +45α图3 电压空间矢量工作序列与逆变器输出电压波形关系图 总而言之，SVPWM 调制就是将逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区都相当于逆变器相邻两个电压空间矢量所划分出的区域之一。