開關磁阻電機全數字控制系統中FPGA的應用

摘要：提出了基于數字信號處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)的開關磁阻電動機全數字控制系統，對DSP和FPGA的功能進行了分配。根據開關磁阻電動機的驅動要求，分析控制邏輯，由FPGA實現了電流斬波、角度位置和PWM電壓斬波相結合的控制方案。仿真結果表明，設計的開關磁阻電動機調速系統具有高效、實時、動態性能好等優點。

關鍵詞：開關磁阻電動機；全數字控制系統；數字信號處理器；現場可編程門陣列

0 引言

開關磁阻電動機調速系統(SRD)是由雙凸極開關磁阻電動機(SRM)、功率變換器、控制器以及檢測器等組成的一種新型調速電動機系統。與傳統的直流和交流調速系統相比較，開關磁阻電動機不僅保持了感應電動機的全部優點，而且電機結構簡單，控制方便，運行可靠，成本低，效率高。本文設計的開關磁阻電動機全數字控制系統選用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作為主控制器，Xilinx公司的FPGA芯片XC2S150E作為輔助控制器構成硬件控制方案。

由于SRD系統的非線性，使得用普通的定參數PID調節器進行速度閉環調節時，控制性能不夠理想。模糊控制是目前應用較多的一種智能控制方法，無需被控對象準確的數學模型即能實現較好的控制效果。如今SRM正越來越多的被用于高速甚至超高速場合，這對控制系統的實時性也提出了更高的要求。由于FPGA具有現場可編程的特點，并且它使系統內可再編程技術，使系統內的硬件功能可以像軟件一樣被編程并隨時配置，使得所有的邏輯電路都在一個芯片上實現，省去了芯片之間的連線，硬件可靠性高，運算速度快，所以更適合應用于高速電機的調速系統中。

全數字化開關磁阻電動機的控制器把高性能數字信號處理器DSP和先進的模糊控制算法相結合，把FPGA和數字電路的設計相結合，克服了模擬元器件的缺點并且解決了SRM的非線性帶來的一系列問題。

1 SRD系統的組成

SRD主要由SRM、功率變換器、控制器、位置檢測器4大部分組成，如圖1所示。SRM是SRD中實現機電能量轉換的部件，也是SRD有別于其他電動機驅動系統的主要標志。功率變換器向SRM提供運轉所需的能量，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。控制器是整個調速系統的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態，實現對SR電機運行狀態的控制。

在SRD中，功率變換器是整個系統的重要組成部分，通過工作在開關狀態執行控制輸出信號，將電源電能在適當時段提供給各相繞組來驅動轉子旋轉。因此功率變換器的設計必須與電機及控制器一起綜合考慮，使其能協調工作。本文采用雙開關式功率變換器主電路如圖2所示，以IGBT作為主開關器件，其驅動電路選用IR公司的浮地驅動芯片IR2130實現。SRM的可控參數較多，控制方法靈活。常采用在低速時選擇電流斬波控制(CCC)和高速時選擇角度位置控制(APC)的混合控制方法。

2 基于DSP和FPGA的全數字調速控制系統

由于采用了DSP和FPGA并行處理數據和控制的方法，所以需要對DSP和FPGA實現的功能進行合理的劃分，圖3是DSP和FPGA之間的接口和功能分配圖。

本設計中DSP主要用于模糊控制算法的實現，并負責模擬量的采集和控制量的輸出，而FPGA完成速度檢測、驅動與保護、位置細分等工作。同時為了保證DSP與FPGA之間正確的數據交換，由主要輸出量對系統的可靠性進行檢測。DSP與FPGA之間通過目前電子設計中大量采用的FIFO接口聯系在一起。