基于矢量控制的高性能交流电机速度伺服控制器的FPGA实现

李莉莉

摘要：针对当前工业数控系统高功率密度的发展需求，提出了一种基于DSP+FPGA体系结构的新型多轴交流伺服驱动控制系统设计方案。首先详细介绍了系统硬件驱动与控制电路的设计，包括控制电路、信号检测及保护电路、功率驱动电路、通信电路等，其次分析了软件实现及信号采样时刻点选择方法。该系统采用空间电压矢量控制策略，运用集中控制及分层处理的设计思想，实现具有位置、速度、电流控制的数字化高性能伺服控制系统。实验结果表明，该系统具有实时性好、精度高、动态响应快等优点。

关键词：永磁同步电机；矢量控制；高功率密度

1前言

随着电力电子技术、传感器技术，电机控制理论的不断发展，高性能交流永磁同步电机伺服控制系统在许多的高科技领域得到了广泛的应用，如数控机床、航空航天、雷达与各种军用武器跟随系统等。随着PMSM应用领域的不断拓宽，对调速系统的性能提出了更高的要求。

2永磁同步电机矢量控制算法

根据永磁同步电机的特性建立其数学模型，永磁同步电机在旋转坐标系下的电压方程：

转矩是关于q轴电流的线性方程，定子电流与转子永磁磁通互相独立解耦，使控制系统简单，转矩特性好，此时可以得到最大的转矩输出，同时提高运行效率。ud为定子电压d轴分量；uq为定子电压q轴分量；id为定子电流的d轴分量；iq为定子电流的q轴分量；ω为电角速度；ψf为永磁磁链；p为电机极对数。

3硬件设计

3.1智能控制单元

控制系统采用32位浮点TMS320F28335型DSP作为控制核心，其外设资源丰富，具有SVPWM信号产生、QEP脉冲捕获等功能，其工作频率可达150MHz，非常适用于电机控制领域，利用DSP实现信号位置计算、信号滤波处理、矢量变换等功能。FPGA主要负责模数转换控制、数字信息采集、SVPWM信号生成、信号逻辑管理、故障保护响应、网络通信等。DSP与FPGA采用数据总线（D0～D31）和地址总线（A2～A21）相连，DSP以寄存器读写方式操作FPGA实现数据的获取或指令的发送，FPGA工作时钟频率32M，DSP时钟由FPGA提供，为提高系统的同步性，采用中断方式实现通信，中断时间为200μs。这种多处理器协同工作结构方式大大增加了系统的灵活性和可靠性。

3.2定子电流测量

对于整个伺服闭环系统，电流环是关键环节，闭环系统需要及时获得准确的实际电流，才能实现对电流的实时跟踪。为了满足系统电流环的响应速度，采用微霍尔acs758100型电流传感器检测电机的电流信号为0~5V低电压信号的功率，和一阶滤波放大电路由运算放大器op747后，转换为模拟电压信号变化±0~10V的范围。数字信号转换模数转换模块的输入。

3.3模数转换单元

高速模数转换单元由2高速模数转换器（AD7606）和一个高精度的基准电压转换芯片（AD421）。2高速模数转换器并联连接，构成16通道模拟信号输入接口，用于模拟电压、电流等模拟电压信息。AD7606芯片是一种高精度的8通道，16位高速模数转换器，一个200ksps转换频率，以满足系统控制精度的要求。模数转换器采用16位数据总线并读写，信号芯片选择与FPGA数据和命令通信。

3.4存储系统

存储和程序数据的大容量NAND闪存sst39vf6401b技术基于高性能的存储空间，它拥有4M×16bit的存储系统，通过一个17位地址总线和16位数据与DSP的数据总线和地址总线的总线接口，满足承载力设计要求。

4软件设计

4.1软件实现

在CCS集成开发环境下完成控制软件设计。整个软件结构包括主程序、定时中断服务程序和中断保护程序。在主程序中完成系统初始化，包括DSP的初始化，参数变量的定义和初始化等。SVPWM中断服务程序是系统软件设计的核心部分，在SVPWM中断服务程序中完成了永磁同步电机的整体控制策略。在调速系统的控制策略中采用了转子磁场定向矢量控制。在每个SVPWM周期，转子相位初始化，转子位置，计算速度和电流采样需要完成。

4.2SVPWM中点采样法

结合驱动电路及控制方法的特点，系统在驱动电路U\W相安装两只电流传感器，电流传感器只有在SVPWM开通期间对应相有电流通过时才能感应电流信号，因此，在设计A/D采样控制程序时，必须选择合理的采样点。IGBT的开闭会在闪光中产生峰值电流，所以采样点应避免开关时间，否则会影响系统的正常运行。为了保证每一个开关周期确定一个固定采样点，且远离开，SVPWM在中间采样时打开，采样平均电流法，很好的避免了开关噪声的影响，保证了采样精度。

4.3信息采样与获取

在软件系统方面，FPGA提供的DSP时钟，为了提高系统的控制性能，将IGBT开关到20kHz开关模块的周期，周期中断采样时间、电压、电流在每个位置信息。因此，对电流环采样频率为20kHz。集来计算速度环频率为10kHz，计算位置环频率为5kHz，因为FPGA每200微秒，通过I/O引脚的DSP的水平变化中断，DSP中断电压和电流采集后收到的指令，并以总线形式的数字信息的位置，并完成伺服控制算法的位置、速度和电流环的控制算法，通过逻辑运算、控制命令输出到FPGA，FPGA收到控制命令，对SVPWM解码的实现，结合AD采集值的保护和计算的信息，决定是否对SVPWM脉冲封锁。同时，FPGA实时获取各轴的位置信息。当系统不受保护时，集成位置信息和电机控制体积解码信息，确定各轴电机的相序，并送出SVPWM脉冲驱动功率驱动芯片。

5结束语

针对高功率密度电机伺服系统的控制，特别是多轴伺服驱动控制系统在单处理器的局限，实现精确控制，采用集成控制和分层的设计思想，设计了一种永磁同步电机伺服系统的多轴矢量控制模型的高功率密度、数字电流，实现速度、位置伺服控制，充分利用DSP强大的数据处理能力及FPGA的高速并行逻辑特性。

参考文献

[1]王斌.空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制[J].电机与控制学报，2010（6）