用FPGA平臺實現工業電機最大效率

　　面對日益嚴格的規范要求以及降低工廠運營成本的迫切需求，機械制造商正在尋找提高產品用電效率的解決方案。最大化控制機械設備電機效率的方法眾多，其中之一就是采用效率更高、更先進的磁場定向控制技術來優化用電效率。為實現上述目的，美國國家儀器公司(NI)的設計團隊采用賽靈思FPGA作為其通用硬件架構——可重構I/O(RIO)的基礎，以推出具有高計算性能的高靈活性嵌入式控制器。

　　RIO架構目前已被用于多款系統中，如EUROelectronics等公司的系統。借助該架構，從產品原型設計到最終機械設備完成，EUROelectronics只用了3個月的時間。

　　縮短機械設計時間

　　無刷DC和永磁同步AC電機(PMSM)二者通常組成無刷DC電機(BLDC)，其集成式控制非常復雜，是一個挑戰。許多機械制造商都缺乏構建嵌入式控制器方面的軟硬件設計經驗，難以讓嵌入式控制器在各種類型的模擬和數字傳感器上實時執行閉環控制。

　　為了縮短嵌入式機械制造商的最終設計時間，本文介紹的方案在CompactRIO產品中集成了某種形式的RIO架構。這種基于FPGA的配置包括基于Virtex-5 LX85到Spartan-3的系統，以及基于Virtex-II 1M門的背板，配合基于PowerPC 603e的處理器，能夠滿足多種頻率和性能需求，如圖1所示。

　　圖1 在CompactRIO產品中集成了某種形式的RIO架構

　　在RIO框架中集成配置軟件實用程序和動態I/O重構功能可節約設置時間，而且終端應用編程人員和數字設計工程師還能重復使用有關資源。配置軟件能自動檢測系統中安裝的定制硬件。I/O外設的集成式診斷測試可確保I/O器件正常工作。

　　如果不安裝I/O電路，驅動程序軟件及相關API不能適當執行或返回具體器件的故障，就會出現問題。為解決上述問題，軟件開發人員通常會創建模擬子例程，臨時替代應用中的I/O電路代碼。這種方法難以立即開始應用開發，而且幾乎不能調試代碼。RIO中間件驅動程序架構包括相關功能，可將模擬代碼直接集成到函數驅動程序中，從而簡化代碼的重復使用與故障調試。

　　圖2 嵌入式中間件軟件設計分級圖

　　圖2所示為嵌入式中間件軟件設計分級圖。這種中間件驅動程序和系統服務在成千上萬種已經部署的機械設計應用中都證實了自己的功能。并行和多線程安全型嵌入式中間件驅動程序是RIO的有機組成部分。機械制造商可同時從多個線程調用多線程安全型和可再入函數，同時還能確保正常工作，避免阻塞現象，這對并行代碼的編寫和性能優化都是非常重要的特性。不具備可再入執行功能的驅動程序會影響性能，更糟的是還會導致崩潰。代碼必須等其他線程使用完每個函數后才能訪問函數。可再入性可避免代碼中任何不必要的依賴性。

　　FPGA控制算法的幫助

　　BLDC和PMSM的定子纏繞方式有別。BLDC的定子旋轉時其纏繞方式可生成梯形反電勢電壓，而PMSM的電壓則為正弦曲線。

　　BLDC的成本高于AC電感電機，但在用高級算法控制情況下其節能性和性能更高。此外，BLDC還具有較高的可擴展性，能滿足極高功率和極高速應用的需求。

　　顧名思義，無刷DC電機工作時是不需要電刷的。這就是說，電刷所起的轉換作用必須以電子方式實現。定子線圈順序加電，BLDC電機就能轉動了。要計算在某一時刻哪個線圈加電，必須了解定子的位置，這通常可通過在定子中嵌入的三個霍爾效應感應器來檢測。綜合這三個感應器信號，控制電子產品可確定轉換的確切順序。

　　由于無刷電機的轉子使用永磁而非無源線圈，其本身提供的功率相對于尺寸、重量相當的電感電機而言要高。不過，高效運行的關鍵在于FPGA控制器。FPGA算法控制的效率高于微處理器。可以使用多種控制系統算法，包括梯形、正弦和場定向算法(FOC)。

　　梯形或六步控制是最簡單同時也是性能最差的方法。就六步轉換的每一步而言，電機驅動會在兩個線圈之間形成電流通路，而第三個電機不連接。不過，轉矩紋波會產生震動、噪聲和機械磨損，并大幅降低伺服性能。

　　FOC也稱作矢量控制，能在較高電機速度下提高效率，在正弦控制技術基礎上更進一步。FOC相對于其他控制技術而言，單位功率輸入可實現最大轉矩，而且在負載變化時能精確控制速度，響應速度快。FOC技術通過完美保持定子和轉子磁通，即便在瞬態過程也能確保最佳效率。

　　探討FOC

　　了解FOC工作原理的方法之一是在腦海中形成一幅完整的坐標參考系轉換過程畫面。假設從定子角度來設想AC電機的工作，可以看到，當正弦輸入電流施加到定子時，時變信號會產生旋轉磁通。轉子速度與旋轉磁通矢量存在一種函數關系。

　　現在，再從電機內部來看，假設以等同于定子電流產生的旋轉磁通矢量的速度沿離心器運行，在穩定狀態下從這個角度來觀察電機，可發現定子電流好像為常量，且旋轉磁通矢量為固定的。歸根結底，希望控制定子電流，以獲得所需的轉子電流。通過坐標參考系轉換，可通過簡單的PI控制回路控制定子電流，如DC值。

　　FOC算法在后臺發揮作用，消除時間和速度的依賴性，能直接獨立控制磁通量和轉矩。通過數學公式(Clarke及Park變換)，可將電機的電子狀態轉換為時間不變性旋轉兩軸坐標系。

　　空間矢量脈沖寬度調制(PWM)的高效控制電力電子技術能最大化電機電源電壓的利用率，同時最小化諧波損耗。但諧波會在電機鐵芯中形成消耗能量的渦流，從而大幅降低電機效率。

　　最重要的是，設計人員既可對AC電感與無刷DC電機采用FOC技術，以提高其效率和性能，也可將該技術應用于現有電機，升級控制系統。事實上，設計人員可通過FOC等矢量控制技術來改進AC電感電機，實現類似于伺服電機的性能。

　　FPGA解決FOC面臨的挑戰

　　實施FOC需要功能強大的計算器件。針對上述要求，FPGA無疑是電機控制的最佳選擇。FOC系統必須持續以10kHz~100kHz的速度重復計算矢量控制算法。此外，還需在不影響控制算法時序的情況下并行執行高速PWM輸出等其他IP模塊。利用FPGA自身的并行執行功能和硬件可靠性，FPGA能以高達數十萬赫茲的回路速度執行控制算法，而且還有余力來處理通信，為主機微處理器上的用戶接口應用提供數據。此外，FPGA還具有可重構性，因此客戶能隨時根據需要調整控制算法。

　　圖3 FOC實施方案的系統圖

　　圖3所示為FOC實施方案的系統圖。除實際控制算法之外，FPGA還并行執行IP模塊，以讀取3個霍爾效應傳感器、1個編碼器以及3個其它模擬傳感器的值，同時生成PWM信號驅動外部電子器件給電機供電。如欲與主機處理器及簡單用戶接口通信，可并行執行其他IP模塊。

　　圖4所示為基于FPGA的FOC算法實施LabVIEW FPGA的情況。Clarke變換將120°相移三軸坐標系(Ia, Ib, Ic)轉變為兩軸直角坐標系(Ia, Ib)。接著，Park變換將固定的坐標系(Ia, Ib)轉換為去耦兩軸旋轉坐標系(Id和Iq)，簡單的PI控制器就能控制上述旋轉坐標。FOC系統利用逆變換(Park變換和Clarke變換)將其還原到定子線圈的固定AC三相坐標系。

　　圖4 基于FPGA的FOC算法實施LabVIEW FPGA的情況

　　在評估控制系統的升級時，機械設計人員通常會低估耗電成本問題，而從機電的整個生命周期角度來看，耗電成本往往比硬件購置成本高很多。NI致力于借助基于賽靈思FPGA技術的商用硬件解決方案成品推出具有高計算性能的高靈活性嵌入式控制器。通過二者的強強聯合，能滿足客戶最苛刻的要求，即FOC性能要求。