基于片上可编程系统永磁同步电机控制器设计和实现

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1、基于片上可编程系统永磁同步电机控制器设计和实现　　摘要：针对永磁同步电机损耗少、效率高等特点，设计了一种基于片上可编程系统的永磁同步电机控制器，以FPGA为载体，NiosⅡ为中央处理器，数据采集接口作为片上外围设备，并使用DSPBuilder工具实现基于模型的空间矢量控制算法模块，组成完整的片上系统，实现电流、速度和位置的精确控制。工程实践结果表明，基于SoPC技术的永磁同步电机控制器能够达到高精度、快响应的稳定控制效果。关键词：控制器；永磁同步电机；片上可编程系统；空间矢量控制中图分类号：TN911?34；TM386文献标识

2、码：A文章编号：1004?373X（2013）22?0160?040引言随着电子电力技术、微电子技术以及稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronous8Motor，PMSM）逐步成为工业控制领域中一种常用的伺服控制电机。由于它采用了无刷结构，可以提高电动机运行的可靠性；又因其无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度[1]。它在很多应用场合可以实现高精度、高效率的控制效果。片上可编程系统（SystemonaProgrammableChip，SoPC）是近年来热门的微电子

3、应用技术，具有可编程的片上系统特点，设计方式灵活多样。基于FPGA的电机控制器较传统的基于DSP或单片机的控制器具有设计周期短、移植性好、接口灵活、运算速度快、控制精度高等优点[2]。本设计使用FPGA作为主控制器，完成除数据采集等外围接口逻辑外，使用了Altera芯片自带的嵌入式软核NiosⅡ，实现伺服控制系统位置和速度的控制算法。同时使用DSPBuilder工具，生成基于模型的电流环控制算法模块，实现了三闭环控制的永磁同步电机的控制器。1空间矢量算法原理及系统整体设计空间矢量控制（FieldOrientedControl，

4、FOC）的基本思想是：将磁场定向坐标通过矢量变换，把定子三相交流电流分解成两个独立、相互垂直的励磁电流分量iq和转矩电流分量id，分别进行调节后得到电压控制量，然后通过SVPWM脉宽序列来控制逆变器的开关模式，从而达到利用六方向电压矢量合成的方式，来追踪旋转的电压空间矢量目的[3]，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。图1是PMSM矢量控制基本原理。由图1可以看出，电机控制系统包括三部分功能[4]：（1）调节环节，包括位置、速度和电流控制模块；8（2）数据采集环节，包括位置、速度及相电流检测；（3）逆变器模块，将直流电通过S

5、VPWM电压调制得到控制电机的三相交流电。本文根据FOC矢量控制原理，设计了基于SoPC技术的永磁同步电机控制器，电机控制系统整体框图如图2所示。图中，SoPC系统在一块FPGA上实现，NiosⅡ作为系统的主处理器完成系统参数的配置、位置和速度的控制算法。传统的PMSM电机控制器大都采用DSP+FPGA的架构，DSP以其能处理大量浮点运算的优势用来实现复杂的控制算法，FPGA则以其速度快的优势做一些数据管理、接口逻辑的处理。这种架构下的系统虽然也能实现PMSM电机的控制，但是有几点不足之处：（1）需要使用两块处理器芯片，增加了

6、硬件成本及硬件电路板布局布线难度；（2）FPGA与DSP之间数据通信接口比较复杂；（3）对于多轴向的电机控制系统，DSP很难达到像单轴电机同样的控制效果。而基于SoPC技术的控制器，用NiosⅡ代替DSP，可以有效解决上述问题。2SoPC系统的组成与实现本文使用了Altera公司的FPGA芯片EP3SE110F7880I3，根据系统功能需求将控制器进行功能划分，主要由外围接口控制逻辑、NiosⅡ处理器、FOC电流环控制模块组成，下面分别介绍几个模块的功能实现。2.1外围接口控制逻辑为了完成永磁同步电机的闭环控制，需要采集位置、

7、速度、相电流信息，本文采用了旋转变压器及配套的解算模块完成位置信息的采集，采用AD7890完成速度的采集，通过AD7476实现相电流的采集，用VHDL语言完成几个采集芯片的接口控制逻辑。2.2NiosⅡ处理器本设计使用的FPGA芯片内嵌NiosⅡ软核，使用Altera公司SoPCBuilder开发工具可方便的根据系统需求定制NiosⅡ处理器以及片上外设[5]。本设计添加了搭建软核系统所必需的几个模块，并且使用普通PIO作为与外部模块进行数据通信的接口。NiosⅡIDE是NiosⅡ处理器的软件开发环境，在此环境下可方便地编写基于

8、C语言的软件程序。本设计软件需要完成的功能主要包括：电流环参数配置、位置控制算法、速度控制算法、产生电流环的定时启动信号。2.3FOC控制模块由矢量控制原理可知，电流环控制涉及大量运算，包括Park变换、Clarke变换、Park逆变换等，用VHDL语言是无法实现这么复杂的算