开关磁阻电机全数字控制系统中FPGA的应用

摘要：提出了基于数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的开关磁阻电动机全数字控制系统，对DSP和FPGA的功能进行了分配。根据开关磁阻电动机的驱动要求，分析控制逻辑，由FPGA实现了电流斩波、角度位置和PWM电压斩波相结合的控制方案。仿真结果表明，设计的开关磁阻电动机调速系统具有高效、实时、动态性能好等优点。

关键词：开关磁阻电动机；全数字控制系统；数字信号处理器；现场可编程门阵列

0 引言

开关磁阻电动机调速系统(SRD)是由双凸极开关磁阻电动机(SRM)、功率变换器、控制器以及检测器等组成的一种新型调速电动机系统。与传统的直流和交流调速系统相比较，开关磁阻电动机不仅保持了感应电动机的全部优点，而且电机结构简单，控制方便，运行可靠，成本低，效率高。本文设计的开关磁阻电动机全数字控制系统选用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作为主控制器，Xilinx公司的FPGA芯片XC2S150E作为辅助控制器构成硬件控制方案。

由于SRD系统的非线性，使得用普通的定参数PID调节器进行速度闭环调节时，控制性能不够理想。模糊控制是目前应用较多的一种智能控制方法，无需被控对象准确的数学模型即能实现较好的控制效果。如今SRM正越来越多的被用于高速甚至超高速场合，这对控制系统的实时性也提出了更高的要求。由于FPGA具有现场可编程的特点，并且它使系统内可再编程技术，使系统内的硬件功能可以像软件一样被编程并随时配置，使得所有的逻辑电路都在一个芯片上实现，省去了芯片之间的连线，硬件可靠性高，运算速度快，所以更适合应用于高速电机的调速系统中。

全数字化开关磁阻电动机的控制器把高性能数字信号处理器DSP和先进的模糊控制算法相结合，把FPGA和数字电路的设计相结合，克服了模拟元器件的缺点并且解决了SRM的非线性带来的一系列问题。

1 SRD系统的组成

SRD主要由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器4大部分组成，如图1所示。SRM是SRD中实现机电能量转换的部件，也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。功率变换器向SRM提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。控制器是整个调速系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电机运行状态的控制。

在SRD中，功率变换器是整个系统的重要组成部分，通过工作在开关状态执行控制输出信号，将电源电能在适当时段提供给各相绕组来驱动转子旋转。因此功率变换器的设计必须与电机及控制器一起综合考虑，使其能协调工作。本文采用双开关式功率变换器主电路如图2所示，以IGBT作为主开关器件，其驱动电路选用IR公司的浮地驱动芯片IR2130实现。SRM的可控参数较多，控制方法灵活。常采用在低速时选择电流斩波控制(CCC)和高速时选择角度位置控制(APC)的混合控制方法。

2 基于DSP和FPGA的全数字调速控制系统

由于采用了DSP和FPGA并行处理数据和控制的方法，所以需要对DSP和FPGA实现的功能进行合理的划分，图3是DSP和FPGA之间的接口和功能分配图。

本设计中DSP主要用于模糊控制算法的实现，并负责模拟量的采集和控制量的输出，而FPGA完成速度检测、驱动与保护、位置细分等工作。同时为了保证DSP与FPGA之间正确的数据交换，由主要输出量对系统的可靠性进行检测。DSP与FPGA之间通过目前电子设计中大量采用的FIFO接口联系在一起。

目前国内外对于如何利用DSP实现模糊控制算法的研究相对比较成熟，可见，FPGA的设计与应用即成为整个设计成败的关键。

FPGA片内的斩波滞环计数器模块接收三路斩波信号，承担CCC控制方式中的定△t斩波，并输出逻辑综合后的三相功率变换器驱动信号；位置综合与倍频模块接收经整形的三路光电位置信号，综合出256倍频信号，送入DSP中用于角度控制；控制逻辑综合模块接收系统保护等信号，当电流超过上限值后产生低电平信号，FPGA利用此低电平信号封锁输出信号，实现斩波控制策略，同时也是一种对系统进行电流保护的措施。

3 基于FPGA实现三相功率变换器驱动的控制逻辑

此逻辑电路的作用是将控制开关元件的四类信号实现综合，以使各信号均能有效发挥作用，下面列出了逻辑表达式：

TRA=A·ICA·IPA·PWMA

TRB=B·ICB·IPB·PWMA

TRC=C·ICC·IPC·PWMA

TRA’=A’·ICA·PWMB

TRB’=B’·ICA·PWMB

TRC’=C’·ICA·PWMB

式中：A，B，C，A’，B’，C’(前三个是图2中上桥臂信号，后三个是下桥臂信号)为控制开关元件通断的信号；ICA，ICB，ICC为A，B，C三相电路提供的电流斩波控制信号；IPA，IPB，IPC为限流保护电路提供的控制信号，作用是在开关元件中的电流超过设定值时直接关断元件进行保护；PWMA，PWMB是电压斩波信号，该信号的宽度调制是由模糊逻辑调节控制的，实际运行与给定差值越大则脉宽越宽；TRA，TR B，TRC，TRA’，TRB’，TRC’是功率变换电路各主开关管的驱动控制信号。借助MAX+PLUSⅡ仿真软件，得到斩波控制时的仿真波形如图4所示。图中触发信号在各相导通期间发出脉冲信号，从而实现斩波控制方式。相位角控制方式是由相导通信号A，B，C，A’，B’，C’(决定导通相)和PWM(决定导通宽度)信号控制的，仿真波形如图5所示。为了实现功率主电路的可靠工作，设计中不仅考虑了功率电路相导通的各种控制方式的实现，还考虑了电流保护功能。在起动和制动时，电机绕组内有可能产生较大的峰值电流，超过电流保护动作值而输出电流保护信号IP给逻辑综合电路，关断上桥臂开关元件，让电路开始续流，直到电流降低到一定水平才恢复导通，从而可以保护功率开关不会因过电流而损坏。

4 仿真与结果分析

本文选用三相12／8极开关磁阻电动机，其中R=0．5 Ω，Lmin=8 mH，Lmax=60 mH。所有仿真都是通过使用Matlab／Simulink方框图、相应的Matlab函数、参数完成的。控制器为本文设计的基于DSP和FPGA的全数字控制器，转速环的模糊控制算法由DSP实现。在负载为零的情况下，将转速给定从800 r／min突加到1 600 r／min时的转速响应曲线如图6所示。

从得到的仿真结果可以看出，所设计的基于DSP和FPGA的全数字开关磁阻电机调速系统具有令人满意的控制效果。当转速给定变化时，整个调速系统具有超调小，响应速度快，无静差的动态性能。

5 结语

FPGA适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以代替几十块甚至上百块通用IC芯片，FPGA实际上就是一个子系统部件。但是系统越复杂，FPGA内部所需要的逻辑单元越多，价格就越昂贵，因此考虑到目前系统的成本，本文中FPGA在全数字控制系统中只实现比较简单的控制算法，更多的是扩展了DSP的功能。今后随着电子技术的不断发展，FPGA更可以实现模糊控制之类的控制算法，甚至可以尝试将DSP做入FPGA芯片，直至实现无CPU控制。这样不仅可以使控制器节省空间，更可以提高控制的速度和精度，从而拓宽开关磁阻电动机的实用领域。