利用FPGA的永磁同步電機(jī)控制器原理及設(shè)計(jì)

概述：提出一種基于FPGA的永磁同步電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于具有高動(dòng)態(tài)性能要求的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。為提高伺服控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)化電路及節(jié)省成本，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Ahera公司生產(chǎn)的CycloneIII EP3C25Q240C8型FPGA器件實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器。嵌入NiosⅡCPU軟核配合片內(nèi)硬件乘法器及可編程邏輯門陣列，實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同工作。通過QuartusⅡ軟件自帶的SignalTaplI嵌入式邏輯分析儀進(jìn)行板上調(diào)試驗(yàn)證，得到帶有死區(qū)輸出的PWM波形。該P(yáng)WM波形可用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1 引言
??? 國(guó)內(nèi)普遍采用TM320系列的DSP器件作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的主控制器，因CPU負(fù)載過重導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)性降低的問題日益顯著。采用具有并行工作特性的FPGA器件作為主控制器能夠提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。因此，這里給出一種基于FPGA的永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案。
??? FPGA器件內(nèi)嵌NiosⅡCPU軟核的SoPC是Altera公司首創(chuàng)的SoC解決方案。將SoPC應(yīng)用到電機(jī)控制中，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。FPGA依靠硬件邏輯門工作，NiosⅡ處理器依靠執(zhí)行軟件程序工作。而在電機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同工作則是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和創(chuàng)新之處。本設(shè)計(jì)需要特別注意軟硬件協(xié)同工作的時(shí)序控制。軟硬件之間信號(hào)的交換需按嚴(yán)格時(shí)序進(jìn)行控制。

2 片上系統(tǒng)規(guī)劃
??? 片上系統(tǒng)功能總體規(guī)劃為電機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)和NiosⅡ系統(tǒng)模塊兩部分，前者主要完成速度外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)運(yùn)算；而后者主要完成按鍵輸入、LED數(shù)碼管顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置和傳輸以及上位機(jī)通信。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 NioslI系統(tǒng)模塊
3．1．1 Nios lI系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)
??? 在QuaauslI的SoPC builder中調(diào)出nioslI軟核。調(diào)用4個(gè)用于輸出的PIO核，掛接到Avalon總線上，作為信號(hào)輸出I／O端口，這4個(gè)PIO核分別是start(啟動(dòng)電機(jī)信號(hào))，Data(16位，電機(jī)參數(shù)值)，ec(8位，參數(shù)寄存器使能信號(hào))，choice(3位，多路選擇信號(hào))。調(diào)用6個(gè)作為輸入的PIO核用以按鍵輸入。設(shè)置中斷掩碼寄存器為中斷有效，邊沿捕獲寄存器為上升沿檢測(cè)。按鍵經(jīng)FPGA引腳，用戶設(shè)計(jì)硬件防抖動(dòng)后，產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào)，啟動(dòng)NioslI處理器中斷，執(zhí)行相應(yīng)中斷功能。調(diào)用異步串口UART內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，設(shè)置其波特率同定，UART通過中斷請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。圖1和圖2分別給出Niosll系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和其電路原理圖。

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3．1．2 NiosⅡ系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件程序主要在Nios IED軟件中編輯調(diào)試，實(shí)現(xiàn)按鍵中斷程序，按鍵如下：reset(復(fù)位)，start／stop(啟動(dòng)和暫停)，choose(參數(shù)選擇)，increase(參數(shù)值的增量)，de-crease(參數(shù)值的減量)，transmit(參數(shù)的傳輸)；并實(shí)現(xiàn)串口通信中斷程序。圖3為NiosⅡ處理器軟件執(zhí)行流程。

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　　這里只給出 stait按鍵中斷軟件程序代碼，而choose，in-crease，decrease，transmit程序與之相同。
int main(void)
{ alL_irq_register(start_IRQ，start_BASE，start_ISR)；／／按鍵
start的中斷注冊(cè)
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(start_BASE，
0x01)；／／開啟中斷使能；
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CA(start_BASE，
0x00)：／／清除捕獲寄存器；
／／只給出start變量(用于啟動(dòng)電機(jī))初始化，并寫入輸出
寄存器：其他變量初始化相同；
Unsigned start=0；
． IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_data(start_BASE，start)；
／／變量寫入輸出PIO寄存器；
While()
}

3．2 電機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)模塊
　　電機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)clark，park，i_park坐標(biāo)變換，PI調(diào)節(jié)器，SVPWM產(chǎn)生器，轉(zhuǎn)速檢測(cè)等硬件模塊等雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。由于上述各個(gè)模塊設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單常見，因此，這里主要介紹SoPC時(shí)序控制部分。Reset按鍵為全局復(fù)位。復(fù)位后系統(tǒng)軟件從主程序入口開始執(zhí)行；而此時(shí)硬件驅(qū)動(dòng)模塊中的兩個(gè)狀態(tài)計(jì)數(shù)器為“-1”。這兩個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間對(duì)應(yīng)50μs和1 ms，分別對(duì)應(yīng)于電流環(huán)和速度環(huán)的采樣時(shí)間。一旦檢測(cè)到來自NiosⅡ處理器的start高電平信號(hào)，該信號(hào)作為計(jì)數(shù)使能信號(hào)，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器從“0”開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)為“0”時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，電流環(huán)計(jì)數(shù)器脈沖用于鎖存SVPWM中的Ta，Tb，Tc(三相占空比信號(hào))，并啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。速度環(huán)的
計(jì)數(shù)器脈沖鎖存一個(gè)反饋速度信號(hào)，然后計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)。

4 仿真結(jié)果
　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行開環(huán)驗(yàn)證。給定uq(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的力矩分量)為2 048(16位Q12的定點(diǎn))，ud(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的勵(lì)磁分量)為0。正余弦兩個(gè)查找表各有720個(gè)地址，相鄰地址相差0．5°。每相隔50μs查找地址增量為l，即電機(jī)每隔50μs轉(zhuǎn)過0．5°，約為1 666 r／m。在QuartusⅡ中進(jìn)行時(shí)序仿真可得到如圖4和圖5所示的波形。

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　　由圖4可知，A相上橋臂在每個(gè)PWM周期的占空比不同，具有從增到減，從減到增的規(guī)律；從圖5可知，器件實(shí)際工作時(shí)，上下橋臂死區(qū)時(shí)間為2μs，而且死區(qū)時(shí)間可采用NiosⅡ處理器設(shè)置。由于有死區(qū)時(shí)間的控制，該P(yáng)WM可接入電機(jī)進(jìn)行開環(huán)調(diào)試。

5 結(jié)論
　　本設(shè)計(jì)的SoPC器件已產(chǎn)生PWM波，用于開環(huán)驗(yàn)證，為后續(xù)閉環(huán)驗(yàn)證提供條件。FPGA在高速數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域逐顯優(yōu)越，且SoC已成為集成電路發(fā)展的主流，而SoPC是SoC一種靈活的解決方案。其具有軟硬件協(xié)同工作，合理分配軟硬件功能等特點(diǎn)，從而能夠快速靈活實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。SoPC控制電機(jī)可提高電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，縮小系統(tǒng)面積，節(jié)省成本。