永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)

申彥壘 黎敦科 于雪鋒

摘要：本文提出了一種永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制FPGA的設(shè)計，以提高電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)特性以及減小磁鏈脈動，具有良好的動態(tài)特性。在數(shù)據(jù)的處理方面采用自定義的方式對小數(shù)運(yùn)算進(jìn)行處理，極大的提高系統(tǒng)的精度，同時也兼顧了系統(tǒng)性能的優(yōu)化和資源的分配。驗證了控制策略具有良好的動態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)特性、轉(zhuǎn)矩脈動小，在全速范圍內(nèi)對永磁同步電機(jī)參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的魯棒性，是一種高性能的交流調(diào)速方式。

關(guān)鍵詞：最大轉(zhuǎn)矩電流比；永磁同步電機(jī)：FPGA

1永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制原理

永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制原理結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，整個系統(tǒng)主要包括：滑模速度控制器、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、CLARK變換、PARK變換、PARK逆變換、Pl調(diào)節(jié)器、SVPWM的產(chǎn)生等諸多模塊。通過一系列的變換以及算法的實現(xiàn)，利用電壓矢量的線性組合，就獲得一系列連續(xù)不同的電壓空間矢量，輸出六路PWM波形送到三相電壓型逆變器，通過控制逆變器的通斷，便實現(xiàn)了交流調(diào)速的目的[2]。

2永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的FPGA設(shè)計

2.1滑模速度控制（HM）模塊的設(shè)計

為了使永磁同步電機(jī)交流調(diào)速驅(qū)動器具有良好的負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動、控制精度、參數(shù)攝動，滑模速度控制器通過使用切換控制算法在相平面中沿著預(yù)定軌跡強(qiáng)制驅(qū)動響應(yīng)來穩(wěn)定設(shè)定點(diǎn)[3.4]，原理圖如圖2所示。

2.2最大轉(zhuǎn)矩電流比的設(shè)計

在忽略不計鐵心的渦流損耗和磁滯損耗，不計磁路中鐵心的磁通飽和，假設(shè)空載電勢是正弦波等條件下建立數(shù)學(xué)模型[5.6]。

設(shè)y為電樞電流空間矢量與直軸位置的相位角，可以得到：

PARK變換及其逆變換都包含三角函數(shù)的運(yùn)算、乘法、加法運(yùn)算。對小數(shù)運(yùn)算采用自定義的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

對于變換中的三角函數(shù)運(yùn)算，采用了CORDIC算法來實現(xiàn)求解正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。其流水線結(jié)構(gòu)，每級迭代運(yùn)算都有一套運(yùn)算單元[6]。

PID控制策略就是對電流、電壓、轉(zhuǎn)速的相關(guān)模塊進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)控制。為提高運(yùn)算處理速度，采用并行計算方式，包括兩個部分，布斯編碼是將乘數(shù)進(jìn)行重編碼再與被乘相乘，產(chǎn)生部分積；另一部分是實現(xiàn)部分積相加，超前進(jìn)位加法實現(xiàn)部分積的相加，為防止出現(xiàn)飽和的問題，采用過限消弱積分法[6]。其控制算法如下式表示：

2.4 SVPWM模塊的設(shè)計

電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）是從電機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)視為整體，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場。通過連續(xù)不斷改變逆變器的通與斷模式，使電機(jī)的實際磁鏈逼近理想磁鏈圓，通過控制逆變器的通斷，便實現(xiàn)了交流調(diào)速的目的[1，4]。

圖3為SVPWM的結(jié)構(gòu)圖，首先判定由PARK逆變換得到矢量電壓所處的扇區(qū)；然后確定每個扇區(qū)所在電壓矢量的作用時間；再通過時間重構(gòu)模塊分配各個橋臂的作用時間，最后由得到的重構(gòu)時間來控制PWM波形各相輸出的占空比和波形[1]。

3永磁同步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制FPGA實現(xiàn)仿真

本設(shè)計對數(shù)據(jù)的處理采用自定義的方式對小數(shù)運(yùn)算進(jìn)行處理，極大的提高系統(tǒng)的精度，同時也兼顧了系統(tǒng)性能的優(yōu)化和資源的分配。通過VHDL對系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行描述，并對各個模塊進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化、驗證。

永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的FPGA仿真時序，如圖4所示，其中DEG是經(jīng)過光電編碼器的解碼電路輸出的PMSM的旋轉(zhuǎn)角度；K1，K2，K3，K4為MTPA計算常數(shù)；N是}旨光電編碼器的解碼電路輸出的PMSM的速度；N_REF為參考速度；la，b是相電流檢測器檢測到的PMSM的兩相電流；相電流檢測器檢測到的相電流進(jìn)行一系列的坐標(biāo)變換，并通過PID控制器的調(diào)節(jié)作用來不斷的改變輸出的六路PWM波形，最終這六路PWM波通過三相電壓型逆變器來調(diào)節(jié)PMSM的速度和位置。經(jīng)過PID控制器的調(diào)節(jié)作用來實時的調(diào)節(jié)PMSM的速度。

4結(jié)論

為滿足永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩輸出高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)；利用FPGA器件具有集成度高、設(shè)計周期短、對數(shù)據(jù)并行處理速度快、設(shè)計靈活等突出優(yōu)點(diǎn)，提出了最大轉(zhuǎn)矩電流比永磁同步電機(jī)矢量控制FPGA的設(shè)計與實現(xiàn)，提高了永磁同步電機(jī)單位電流的電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力，具有很高的工程實用性；實驗仿真表明，該控制在交流電機(jī)控制領(lǐng)域里，較好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性，在調(diào)速過程中對電機(jī)參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的魯棒性，是一種高性能的交流調(diào)速方式。證明了所提算法的有效性和優(yōu)越性。

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