基于FPGA的電機(jī)驅(qū)動(dòng)矢量控制系統(tǒng)

（東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

電動(dòng)汽車主要包括車載電源、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等部分組成。異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，成為多數(shù)交流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的首選[1]。電機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力單元，它與能量源之間的能量流動(dòng)和功率的輸出是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制的。主控芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的核心，根據(jù)傳感器信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)控制策略處理后輸出脈沖寬度調(diào)制波形[2]，此波形經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路放大后控制逆變電路功率器件的導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。比較常見(jiàn)的芯片選取方案是以數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）為控制核，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的控制策略[3]。但值得注意的是，交流伺服控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及大量復(fù)雜運(yùn)算，包括對(duì)旋變進(jìn)行直接解碼時(shí)的反正切運(yùn)算，進(jìn)行Clark-Park變換時(shí)的正余弦運(yùn)算，以及空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的扇區(qū)判斷時(shí)需要的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。這些運(yùn)算在DSP中通常采用查表方式。在一些要求精度高，速度快，可靠性高的場(chǎng)合，需要精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置并進(jìn)行復(fù)雜的解耦運(yùn)算，常用的基于DSP的方案容易受電機(jī)參數(shù)，尤其是轉(zhuǎn)子電阻的影響，很難滿足實(shí)際使用的要求[4]。

針對(duì)DSP控制出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出了一種基于FPGA的控制方法。與傳統(tǒng)DSP控制相比，F(xiàn)PGA控制具有以下三個(gè)特點(diǎn)：一是FPGA使用純硬件的方式處理數(shù)據(jù)，具有更快的響應(yīng)時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的控制；二是FPGA代碼具有模塊化特點(diǎn)，這將增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)大大降低了成本；三是，由于FPGA有著規(guī)則的內(nèi)部邏輯塊陣列和豐富的線性資源，特別適合用于細(xì)粒度和高并行度結(jié)構(gòu)的FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于串行運(yùn)算主導(dǎo)的通用DSP芯片來(lái)說(shuō)，并行性和可拓展性更高[5]。

鑒于以上分析，本文主要實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA的以三相異步交流電機(jī)為控制對(duì)象、IGBT為功率單元、矢量控制為控制策略的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)引入CORDIC算法對(duì)邏輯單元中涉及到的三角函數(shù)運(yùn)算做了優(yōu)化，并加入了對(duì)AD產(chǎn)生信號(hào)的FIR濾波，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

整個(gè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包括：三相交流異步電機(jī)、功率逆變模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、FPGA控制模塊、電壓電流采集模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，三相交流異步電機(jī)是動(dòng)力輸出裝置，為汽車的運(yùn)行提供動(dòng)力源。同時(shí)，電機(jī)將通過(guò)安裝的光電編碼器將脈沖發(fā)送給FPGA。FPGA控制模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制電機(jī)所需的邏輯信號(hào)和接受來(lái)自用戶的指令。驅(qū)動(dòng)模塊在FPGA的邏輯信號(hào)控制下，輸出相應(yīng)的電壓到功率逆變模塊上來(lái)控制IGBT的開(kāi)啟和關(guān)閉。功率逆變模塊是由六個(gè)IGBT組成的三相逆變單元，在驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)下跟隨FPGA的邏輯信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)的SVPWM波[6]。電壓電流采集模塊負(fù)責(zé)采集電機(jī)上電壓和電流值，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到FPGA.

圖1電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)工作原理

首先采集三相異步電機(jī)的電流與電壓信號(hào)，將電流與電壓模擬量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并送入FPGA，然后采集轉(zhuǎn)速信號(hào)并計(jì)算轉(zhuǎn)速值物理量。根據(jù)所述電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號(hào)，結(jié)合用戶發(fā)送的調(diào)節(jié)信號(hào)，采用矢量控制算法得到控制信號(hào)，輸出所述控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)單元。系統(tǒng)控制的具體步驟如下：

將利用霍爾傳感器采集到的電機(jī)的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，同時(shí)將用戶發(fā)送的控制信號(hào)傳遞至矢量控制模塊。而轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集則通過(guò)光電編碼器，利用FPGA的等精度采集方法，記錄脈沖個(gè)數(shù)后，根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算得到所需轉(zhuǎn)速值物理量；將用戶發(fā)送信號(hào)與計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速值輸入至外環(huán)PI調(diào)節(jié)器，與Clark-Park變換的電流值作比較，并輸入到內(nèi)環(huán)PI，系統(tǒng)設(shè)定值與Clark-Park變換的另一值比較后也輸入至內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器。以上兩組結(jié)果采用Park逆變換得到電壓值，將電壓值計(jì)算經(jīng)SVPWM得到控制信號(hào)，輸出所述控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)單元。采用FIR濾波器進(jìn)行濾波處理，它可以保證在任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)具體操作框圖如圖2所示。

圖2矢量控制系統(tǒng)操作框圖

考慮到現(xiàn)代汽車的智能化趨勢(shì)，本設(shè)計(jì)也加入了NIOSII軟核處理器和控制器局域網(wǎng)總線（Controller Area Network，CAN）IP核，利用CAN總線接收來(lái)自駕駛員的控制信號(hào)，然后交由CPU傳遞給邏輯控制部分執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。CAN總線模塊用于接收用戶發(fā)送的調(diào)節(jié)信號(hào)，NIOS軟核處理器用于將所述用戶發(fā)送的調(diào)節(jié)信號(hào)傳遞至矢量控制模塊，矢量控制模塊用于將用戶發(fā)送的調(diào)節(jié)信號(hào)與計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速值比較后輸入至外環(huán)PI調(diào)節(jié)器，該值將與系統(tǒng)設(shè)定值一道，分別和電流值經(jīng)濾波、Clark-Park變換后得到的參考值比較，然后輸入至內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器，采用Park逆變換得到電壓值。圖3是CAN總線和NIOS II軟核處理器的邏輯功能圖。

圖3 CAN總線和NIOS II軟核處理器的邏輯功能圖

矢量控制算法的核心就是將交流電機(jī)經(jīng)模型轉(zhuǎn)換模擬為直流電機(jī)從而進(jìn)行控制，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要將交流電機(jī)的物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的參數(shù)[7]。從物理意義上講，需要將三相靜止軸ABC坐標(biāo)系通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為兩相同步旋轉(zhuǎn)軸MT坐標(biāo)系。Clark變換和Park變換即為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的轉(zhuǎn)換。Clark變換就是將定子電流投影到MT坐標(biāo)系，分解為分別控制勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的im和it，而Park變換則是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的直流系統(tǒng)向兩相靜止直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。以下是由三相靜止軸ABC坐標(biāo)系到兩相同步旋轉(zhuǎn)軸MT坐標(biāo)系的變換公式如下：

式中：N2和N3是兩種系統(tǒng)每相繞組的有效匝數(shù)；θ為轉(zhuǎn)子磁鏈位置。

在實(shí)際進(jìn)行Clarke變換和Park變換時(shí)，本文采用CORDIC算法，其核心思想是將旋轉(zhuǎn)角度分為若干極小角度，使用迭代的方法進(jìn)行運(yùn)算從而逼近所求角度[8]。設(shè)矢量（Xi，Yi）旋轉(zhuǎn)角度θ變?yōu)槭噶浚╔j，Yj），用矩陣形式表示為：

這里使用迭代的思想，將一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度分解為n個(gè)極小的角度，相鄰極小角度之間的關(guān)系可以表達(dá)為：

經(jīng)過(guò)對(duì)θ的進(jìn)一步限制，加入尚未旋轉(zhuǎn)角度Z0，并考慮多次迭代的極限逼近情形，最終迭代式變成：

計(jì)算坐標(biāo)變換時(shí)，輸入

進(jìn)行多次迭代后得到最終輸出：

其中：k是cosθn經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次迭代的無(wú)限逼近值。

與常用的計(jì)算三角函數(shù)、反三角函數(shù)以及雙曲函數(shù)及其他超越函數(shù)的ROM查表法、多項(xiàng)式近似法等相比，CORDIC算法具有不需要硬件乘法器、可使用流水線、可循環(huán)迭代的突出優(yōu)勢(shì)。另外，它的計(jì)算方式符合硬件算法的模塊化特點(diǎn)，從而便于在FPGA中實(shí)現(xiàn)[9]。

三相異步交流電機(jī)同驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、控制單元及用戶界面的關(guān)系如圖4所示。檢測(cè)單元用于采集電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號(hào)；FPGA控制單元用于根據(jù)電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號(hào)，結(jié)合用戶發(fā)送的調(diào)節(jié)信號(hào)，采用矢量控制算法得到控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)單元；驅(qū)動(dòng)單元用于根據(jù)所述控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，其中，電機(jī)分別與檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)單元相連，F(xiàn)PGA控制單元分別與檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)單元相連。

圖4 電機(jī)與控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元及用戶的關(guān)系

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab環(huán)境中建立了仿真系統(tǒng)以驗(yàn)證這些控制算法。仿真模型的主電路圖如圖5所示。

圖5電機(jī)驅(qū)動(dòng)器矢量控制的Simulink仿真模型主電路圖

然后根據(jù)所用矢量控制算法編寫(xiě)了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、SVPWM、PI控制、速度計(jì)算、系統(tǒng)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)的Verilog代碼，并且進(jìn)行編譯調(diào)試，驗(yàn)證了子程序的正確性。最后將驅(qū)動(dòng)程序下載到設(shè)計(jì)的FPGA上，連接示波器進(jìn)行觀察。圖6是觀察到的結(jié)果。可見(jiàn)，在功率模塊輸入電壓穩(wěn)定的情況下，定子電流基本達(dá)到接近正弦波，同時(shí)轉(zhuǎn)子速度和磁矩都保持穩(wěn)定不變，基本達(dá)到控制系統(tǒng)的要求。

圖6示波器顯示結(jié)果圖

由此可以看出，該設(shè)計(jì)滿足了電動(dòng)汽車系統(tǒng)的性能要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)器使用IGBT作為功率單元，利用矢量控制作為控制算法，在FPGA上實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能，與傳統(tǒng)DSP系統(tǒng)控制相比，能夠進(jìn)行復(fù)雜的解耦運(yùn)算，精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置，精度更高，速度快，可靠性高，為后續(xù)豐富和完善驅(qū)動(dòng)器功能奠定了基礎(chǔ)。仿真結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)能夠使系統(tǒng)平滑啟動(dòng)，快速響應(yīng)給定的指令，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制。

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