可靠性和實時性是對控制系統(tǒng)的基本要求,最初的電機(jī)控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,以脈寬調(diào)制（PWM）為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制中。在數(shù)字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機(jī)控制專用集成電路已大量應(yīng)用在電機(jī)控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設(shè)計思想,即基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的硬件實現(xiàn)技術(shù)。該技術(shù)可以應(yīng)用于基于矢量控制的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。FPGA本身是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列,沒有一般的IC所具有的功能,但用戶可以根據(jù)自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進(jìn)行編程,在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產(chǎn)品的競爭力。由于FPGA以純硬件的方式進(jìn)行并行處理,而且不占用CPU的資源,使系統(tǒng)可以達(dá)到很高的性能。這種設(shè)計方法應(yīng)用于異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)時,一般把電流控制作為DSP 的協(xié)處理,轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子磁鏈算法由DSP 主機(jī)來實現(xiàn)。一般情況下,位置控制比較靈活,很難做到通用性,所以位置環(huán)節(jié)一般由DSP來完成,但速度控制和電流控制具有通用性,因此可以把它們集成到一個專用芯片中。這樣,既可以實現(xiàn)速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和DSP共同構(gòu)成位置控制系統(tǒng)。如圖1所示,若FPGA中集成有CPU內(nèi)核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片F(xiàn)PGA來實現(xiàn),從而實現(xiàn)真正的片上系統(tǒng)[1][2]。 [ALIGN=CENTER] 圖1 異步電機(jī)速度控制器系統(tǒng)的集成化結(jié)構(gòu) 圖2 三相繞組與二相繞組的軸線設(shè)定 [/ALIGN] FPGA將半定制器件邏輯集成度高的優(yōu)點與標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件開發(fā)周期短和開發(fā)成本低的優(yōu)點結(jié)合在一起后,具有結(jié)構(gòu)靈活、高密度、高性能、開發(fā)工具先進(jìn)、編程完畢后的成品無需測試和可實時在線檢驗等優(yōu)點。本文介紹的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計的基本思想,研究電流矢量控制、速度PI調(diào)節(jié)、電流 PI調(diào)節(jié)、反饋速度測量、電流磁鏈轉(zhuǎn)換、SVPWM、 Clarke變換、 Park變換和Park逆變換等幾個主要功能模塊的數(shù)字結(jié)構(gòu),并在單片Xilinx FPGA 中完成了主要模塊的布局布線,實現(xiàn)異步電機(jī)矢量控制速度控制器的專用集成電路[3]。 一.矢量控制的基本原理 設(shè)異步電機(jī)三相繞組（A、B、C）與二相繞組（α、β）的軸線設(shè)定如圖2所示,A相繞組軸線與α相繞組軸線重合,都是靜止坐標(biāo),分別對應(yīng)的交流電流為iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產(chǎn)生的磁勢F與二相交流電流產(chǎn)生的磁勢相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為: 由二相靜止坐標(biāo)系（α,β）到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）的變換稱為Park變換。α、β為靜止坐標(biāo)系,d-q為任意角速度ω旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)α、β靜止坐標(biāo)系變換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時,坐標(biāo)軸的設(shè)定如圖3所示。圖3中θ為α軸與d軸之間的夾角,d、q繞組在空間垂直放置,加上直流id和iq,并讓d、q坐標(biāo)以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn),則產(chǎn)生的磁動勢與α-β坐標(biāo)系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個變量,隨負(fù)載、轉(zhuǎn)速而變化,在不同的時刻有不同的值。Park變換,寫成矩陣形式,其公式如下: [ALIGN=CENTER] 圖3 α-β坐標(biāo) [/ALIGN] 矢量控制亦稱磁場定向控制,其基本思路是:模擬直流電機(jī)的控制方法進(jìn)行控制,根據(jù)磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)（Clarke變換即3Φ/α-β變換,其坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式（1））,然后通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標(biāo)變成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（Park變換,即（α-β/d-q變換,坐標(biāo)變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如公式（3））。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的2個直流分量id、iq（其中id為勵磁電流分量,iq為轉(zhuǎn)矩電流分量）,并對其分別加以控制,控制id就相當(dāng)于控制磁通,而控制iq就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。 2個直流分量id和iq分別由速度和電流PI調(diào)節(jié)器經(jīng)電流電壓變換和Clarke逆變換（坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2,定量關(guān)系如公式（2））、Park逆變換（坐標(biāo)變換關(guān)系如圖3,定量關(guān)系如式（4））和電壓空間矢量變換后,獲得控制逆變器的6路PWM信號,從而實現(xiàn)對異步電機(jī)的變壓變頻控制。 二.控制器的數(shù)字硬件設(shè)計 異步電機(jī)速度控制器的數(shù)字硬件設(shè)計主要包括Clarke變換、Clarke逆變換;Park變換、Park逆變換;電流PI調(diào)節(jié)模塊、速度PI調(diào)節(jié)模塊;電壓空間矢量模塊;轉(zhuǎn)子磁鏈計算模塊和速度檢測模塊等幾個不同部分。矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路和數(shù)據(jù)運(yùn)算路徑如圖4所示。 2.1.矢量變換模塊設(shè)計 矢量變換包括相坐標(biāo)以及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正變換和反變換,式（1）～（4）給出了相應(yīng)變換的定量運(yùn)算公式。其中式（1）、（2）的數(shù)字實現(xiàn)比較簡單,1個加法器和1個乘法器就可以完成變換運(yùn)算;式（3）、（4）確定的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)正變換和逆變換,在工程實踐中可以采用查正弦表或泰勒級數(shù)展開的方式進(jìn)行計算,從而完成相應(yīng)的功能。 2.2 PI調(diào)節(jié)器模塊設(shè)計 [ALIGN=CENTER] 圖4 速度控制器的數(shù)據(jù)路徑[/ALIGN] 電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)都是按PI控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)的,式（5）為雙線性變換PI調(diào)節(jié)器的迭代公式。 　　O[n]=P[n]+I[n] （5） 　　其中比例項迭代公式為: 　　P[n]=Kp·E[n] （6） 　　積分項迭代公式為: 　　I[n]=I[n-1]+Kh（E[n]+E[n-1]） （7） 式中E[n]為誤差輸入,Kp為比例增益,Kh為積分增益,Kp和Kh的范圍由電機(jī)參數(shù)決定,并且需要通過實驗來確定其具體值。為防止溢出,調(diào)節(jié)器設(shè)置了飽和限制。電流PI調(diào)節(jié)器輸出的是電壓指令,以調(diào)制系數(shù)的形式經(jīng)過補(bǔ)償后送給SVPWM模塊;速度PI調(diào)節(jié)器輸出的是參考電流指令,直接送給電流調(diào)節(jié)器。不管是電流調(diào)節(jié)器還是速度調(diào)節(jié)器,如果參考指令值比較大,其積分器就有可能會建立起一個很大的誤差值,并且由于積分器的慣性作用,這個誤差會一直保持較長時間,從而將導(dǎo)致過大的超調(diào)。因此在設(shè)計PI調(diào)節(jié)器時,應(yīng)當(dāng)在積分器的輸出超過限定值時立即關(guān)閉積分作用,以減少過度超調(diào)的影響。 2.3 M/T法測速模塊設(shè)計 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速控制器的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)子位置及反饋速度的測量。本方案采用增量式光電碼盤及霍爾元件作為位置檢測器件,在上電復(fù)位時由霍爾元件粗略檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置進(jìn)行軟啟動,當(dāng)碼盤的Z脈沖出現(xiàn)后就可以得到精確的位置信息。位置計數(shù)則按碼盤的2個正交輸出脈沖QEP1和QEP2的4倍頻進(jìn)行,其脈沖波形如圖5所示。轉(zhuǎn)速是利用M/T法進(jìn)行測量的。M/T法是在M法的基礎(chǔ)上吸取T法的優(yōu)點,其測量轉(zhuǎn)速的過程為:在轉(zhuǎn)速輸出脈沖的下降沿啟動定時器（定時長度為Tc）,同時記錄轉(zhuǎn)速輸出脈沖個數(shù)ml和時鐘脈沖個數(shù)m2。測量時間到,先停止對轉(zhuǎn)速輸出脈沖個數(shù)的計數(shù),待下一個轉(zhuǎn)速輸出脈沖下降沿到來時,再停止對時鐘脈沖計數(shù),以保證測到整個轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖。所設(shè)的基本測量時間TC可避免T法因轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致測量時間減小的缺點;同時讀取對時鐘脈沖的計數(shù)值可避免M法因轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致精度變差的缺點。其測量時間為: [ALIGN=CENTER] 圖5 脈沖波形 圖6 M/T法測速原理[/ALIGN] 2.4 電壓空間矢量模塊設(shè)計 電壓空間矢量脈寬調(diào)制法也稱磁鏈追蹤型PWM法,該方法把電動機(jī)與逆變器看為一體,側(cè)重于以電動機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場為目標(biāo),以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機(jī)中的理想磁鏈為基準(zhǔn),用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓。理論分析和實驗表明SVPWM調(diào)制的脈動轉(zhuǎn)矩小,噪音低和直流電壓利用率高（比普通的SPWM調(diào)制約高15%）。這種控制方法在變頻器、逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用。電壓空間矢量結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。 [ALIGN=CENTER] 圖7 電壓空間矢量硬件結(jié)構(gòu)[/ALIGN] 圖中對稱/不對稱波形發(fā)生器、輸出邏輯電路、空間矢量狀態(tài)機(jī)的合成由比較控制寄存器的相應(yīng)位進(jìn)行控制,具體工作原理可參見文獻(xiàn)[5]、[6]。 除了上述主要模塊外,還有通信模塊、寄存器堆以及監(jiān)控和保護(hù)等輔助性模塊,其中通信模塊主要用來與DSP或主機(jī)交換數(shù)據(jù)（見圖1）。所有這些模塊構(gòu)成了一個完整的速度隨動控制器,并在1片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)。 三.硬件設(shè)計的FPGA實現(xiàn)與實驗結(jié)果 基于矢量控制的高性能異步電機(jī)速度控制器設(shè)計電路中的所有模塊均用硬件語言VHDL進(jìn)行描述。在源代碼通過功能仿真與時序仿真測試后,再經(jīng)過 SynPlify軟件綜合生成EDF網(wǎng)表文件,最后在Xilinx的FPGA（SpartanⅡE一XC2S300E）器件中實現(xiàn),其中器件的布局和布線在Xilinx集成開發(fā)環(huán)境ISE5.li中完成。系統(tǒng)資源利用情況如表1所示,整個設(shè)計消耗的等效門數(shù)約為350 000,基本接近飽和。若考慮到將來的功能擴(kuò)展,則需要容量更大的芯片,但現(xiàn)有設(shè)計可重復(fù)利用,無需作較大的修改[7]。 本設(shè)計中異步電機(jī)速度控制器IC系統(tǒng)的時鐘頻率可以運(yùn)行在33.33MHz下,并且可以通過上位機(jī)訪問內(nèi)部寄存器來設(shè)置控制系統(tǒng)中的各種有關(guān)參數(shù)。這種IC芯片既可以與TMS320L2812 DSP及其他電路共同構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)來實現(xiàn)位置隨動控制,也可以單獨構(gòu)成速度隨動控制系統(tǒng)。 在測試速度控制器性能的實驗中,驅(qū)動對象是一臺最高轉(zhuǎn)速為4 900r/min、編碼器線數(shù)為4 900的1.5kW的異步電動機(jī),且開關(guān)頻率與采樣頻率均設(shè)為12kHz。圖8和圖9所示的是在不同轉(zhuǎn)速指令下所測得的電動機(jī)轉(zhuǎn)子速度跟蹤曲線和α軸電流響應(yīng)曲線。圖8中的轉(zhuǎn)速指令為從0～1168r/min的階躍輸入,動態(tài)響應(yīng)時間不到0.5ms,最大超調(diào)量低于0.8%,穩(wěn)態(tài)誤差小于0.02%;圖9中的轉(zhuǎn)速指令為斜坡輸入,加速度為0.42 r/min/采樣,目標(biāo)速度為495r/min,動態(tài)跟蹤誤差在4%以內(nèi),穩(wěn)態(tài)誤差約為0.03%。若進(jìn)一步提高開關(guān)頻率和采樣頻率,則控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能將會更加優(yōu)良[8]。 [ALIGN=CENTER] 圖8 階躍速度指令下的響應(yīng)曲線 圖9 斜坡速度指令下的響應(yīng)曲線[/ALIGN] 單片集成、混合集成和系統(tǒng)集成可看成是電力電子集成的不同層次和形式,現(xiàn)階段單片集成局限于小功率范圍;中功率領(lǐng)域多采用混合集成或混合集成與系統(tǒng)集成相結(jié)合的形式;大功率領(lǐng)域仍以系統(tǒng)集成為主。單片集成和混合集成由于具有更高的集成度和更好的性能,因此是未來集成技術(shù)的主要發(fā)展方向[9]。 本文所設(shè)計的基于FPGA的異步電機(jī)變頻調(diào)速專用IC,內(nèi)部集成了Clarke變換、Park 變換、Park逆變換、速度PI調(diào)節(jié)、電流d軸PI調(diào)節(jié)、電流q軸PI調(diào)節(jié)、對轉(zhuǎn)子磁鏈定位和速度檢測、電壓空間矢量脈寬調(diào)制及PWM波形發(fā)生等算法,速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的采樣頻率分別可以達(dá)到35kHz和20kHz。實驗結(jié)果表明,該專用控制器在運(yùn)行時有著良好的動、靜態(tài)性能。該專用IC已經(jīng)在高性能集成數(shù)控系統(tǒng)中獲得應(yīng)用,并取得了很好的實踐效果,對研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的矢量控制異步電機(jī)變頻調(diào)速專用芯片有著十分重要的參考價值。