基于FPGA 的永磁同步电动机矢量控制IP 核的研究

基于FPGA的永磁同步电动机矢量控制IP核的研究
赵品志
摘要
论文首先分析了永磁同步电动机的数学模型及矢量控制的原理。

研究了使用现代EDA工程设计方法，在FPGA上实现单芯片交流伺服控制系统的结构和具体实现方法。

其次，详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理，利用Verilog HDL硬件电路描述语言，编写了SVPWM、坐标变换、串行通信、位置检测等IP模块，并进行了仿真和验证。

最后，将本文编写的主要SVPWM IP模块、串行通信、位置检测等IP模块在Quartus II 3.0软件中进行综合编译，并通过ByteBlaster II下载电缆将生成的网络表配置到NIOS II开发板上的Cyclone 系列FPGA EP1C20F400C7芯片中，经过实验测试，验证了所编写的IP模块的正确性。

关键词：矢量控制，空间矢量脉宽调制，FPGA，IP
引言
为满足现代数控系统技术与市场发展需求，伺服系统出现交流化、数字化、智能化三个主要发展动向。

伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：直流伺服系统和交流伺服系统，其中交流伺服系统又可分为感应电动机伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统[1]。

以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。

其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。

交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在伺服系统上得到应用。

随着电力电子技术和现代电机控制理论的发展，1972年，德国西门子的Blaschke提出了交流异步电动机的矢量控制理论。

该理论通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，得到类似直流电动机的解耦的数学模型，使交流电动机的控制性能得以接近或达到他励直流电动机的性能。

1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化[2]。

90年代以来，随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，永磁同步伺服电动机得到了长足的发展。

交流伺服系统采用永磁同步伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统，由于永磁同步伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。

目前永磁同步交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。

在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为：交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制[3][4]。

最初，交流伺服电机的变频调速都是由分立器件实现的，不可避免地存在温漂、老化等问题。

这种方法所使用的器件数目非常多，而且结构也很复杂，这就使得系统的可靠性、精度很难保证在一个较高的水平。

另外，用分立元件实现数字脉宽调制需要使用波形发生器，而分立元件的工作频率有限，因而很难实现高性能高精度的数字脉宽调制。

利用分立元件实现较复杂的脉宽调制技术（如SVPWM）有很大的困难，复杂的逻辑关系难以实现。

这些都驱使人们寻求其它实现数字脉宽调制的方法。

其中单芯片系统（SOPC）使这种想法成为可能，在单芯片上可以实现复杂而精确的逻辑运算，运算速度比分立元件高得多，因而越来越受到人们的重视。

本文对实现SOPC有很大帮助，利用Quartus软件生成的网络表可以直接用于芯片的生产[5]。

采用SOPC （System On a Programmable Chip ）技术实现电动机的驱动，可以充分利用IP 复用技术的优点，在单芯片上实现所有的数字控制部分，由于是通过硬件实现控制算法，因而不占用CPU 资源，从而可以使整个伺服控制具有较高的性能。

由于所有的控制算法都在一个芯片上实现，省去了芯片之间的连线，控制系统具有抗干扰能力强、集成度高、反应灵敏等优点。

同时也大大缩小了驱动器的体积和研发周期，极大地提高系统的性能价格比[6]。

另外，由于IP 复用技术，伺服系统可以非常方便地进行移植以适应不同的控制场合，具有很强的扩展性和适应性[7]。

论文研究成果对研制高性能SOPC 交流伺服系统、工业变频器、逆变电源等领域具有重要意义。

本课题的研究和设计任务包括：分析当前控制系统的现状及发展趋势，构建基于FPGA 的单芯片控制系统，编写高性能全数字交流伺服系统的主要IP 核，并对其进行仿真和实验验证。

基于FPGA 的单芯片全数字交流伺服系统的方案设计
图1为全数字永磁同步电动机转速磁场定向控制系统的框图。

可以看出若用FPGA 实现整个控制系统，需构造PI 、Park 、Clark 、逆Park 、SVPWM 、转子位置检测等多个IP 核。

如此，便可以在一个可编程芯片中实现整个控制系统。

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v e 图1 全数字永磁同步电动机转速磁场定向控制系统框图
基于FPGA 的永磁同步电动机伺服系统的组成框图如图2所示，FPGA 上的控制系统有位置传感器、电流采样反馈、与上位机通信以及驱动输出等接口。

图2 基于FPGA的永磁同步电动机伺服系统结构图
主要模块的仿真与实验结果
这里给出SVPWM模块、转子位置检测模块、串行设备通信模块的编写方法、仿真及实验结果。

本文使用的电机为表贴式永磁同步电动机，其型号为KM-03-2000，额定转矩为3N·M，额定功率为0.63KW，极对数为P=2；转子位置检测使用的是型号为LEC－250BM－G050的增量式光电编码器，输出参数为2500线/转。

使用的EDA开发软件是Altera公司的Quartus3.0软件，开发套件是Altera公司的Cyclone Nios Kit开发板。

FPGA为Altera公司Cyclone低成本系列的EP1C20F400C7芯片。

芯片的工作频率为50MHz，具有20060个逻辑单元以及其他丰富的功能。

SVPWM模块的结构框图如图3所示[8][9]。

该模块又可以分为i_Park、Sector、Solvetime、MUX61、PWMgenerator以及DEADTime等多个子模块。

使用Verilog HDL语言编写各个子模块的源代码，经过综合编译后，得到的实验波形如图4所示。

图3 空间矢量脉宽调制模块的结构框图
两相相电压
两相线电压
SVPWM模块输出的PWM波
图4 实验得到的波形
位置检测接口模块的结构框图如图5所示。

方向判定使用的是一个D触发器，在B的上跳沿记录A的状态，从而得到当前电机的旋转方向。

为了提高位置检测的精度，可以将A、B 信号倍频。

这里将A和B异或得到而倍频信号，对二倍频信号进行计数，从而将精度提高一倍。

机械角度计数器是一个模为4999的可逆计数器，当Direct=0时，减计数；当Direct=1时，加计数。

在每个Z的上跳沿对计数器进行同步修正，防止有累计误差。

由机械角度计数器得到的计数值Mech_cout是转子磁通与码盘零位的夹角，加上一个偏移量Offset_Reg 后，得到转子磁通与定子A相绕组轴线之间的夹角Mech_theta，该偏移量在安装码盘时实验测得。

然后经过取余数处理后，得到转子磁通的电角度Elec_theta。

实验得到的转子位置信号如图6所示。

图中为转子转速为500r/min时的转子位置信号。

图5 码盘接口模块结构框图(P=2)
图6 电角度波形(500r/min)
串行通信框图如图7所示，分为三个模块transmitter、receiver和serialport，其中serialport
为顶层模块。

顶层实体仅起到控制和协调工作的作用，根据实际应用，可以由用户自己定义
具体功能，实现更为复杂的通信。

框图中仅描述了发送模块和接收模块的结构。

Windows 环境下参数设定、监控和显示技术是高性能全数字交流伺服系统的技术难点之一，所以与上位机之间的通信IP核是单芯片控制系统的必要组成部分。

数据通信按传输方式分，可分为并行传输、串行传输。

由于串行通信所占用的信号线少、传输距离远、连线简单等优点，在低速数据传输中得到广泛应用，电机控制系统的数据量不大，故采用串行通信的方式即可满足要求[10][11]。

编写的IP核经过综合编译后，下载到开发板中的实验结果如图8所示。

通过波形可以看出，上位机发出的数据为01001000，实际传输的数据为12H，FPGA的接收模块接收到数据后，马上将数据返回到上位机，进行数据确认。

图7 串行通信模块结构图
图8 串行通信的波形
结论
1．建立了永磁同步电动机的数学模型，详细分析了永磁同步电动机交流伺服系统的矢量控制原理，研究了使用现代EDA工程设计方法，在FPGA上实现单芯片交流伺服控制系统的结构和具体实现方法。

2．详细分析了空间矢量脉宽调制（SVPWM）原理，利用Verilog HDL硬件电路描述语言，编写了SVPWM IP模块，并进行了仿真和验证。

3．依据本文构建的基于FPGA的单芯片控制系统，还编写了坐标变换、串行通信、位置检
测等IP模块的Verilog HDL源代码，利用EDA工程设计软件进行了仿真和验证。

4．将本文编写的主要SVPWM IP模块、坐标变换、串行通信、位置检测等IP模块，在NIOS II开发平台上通过ByteBlaster II下载电缆将生成的网络表配置到NIOS II开发板上的Cyclone系列FPGA EP1C20F400C7芯片中，经过实验测试，验证了所编写的IP模块的正确性。