本發(fā)明一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法屬于中等功率永磁同步電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)(pmsm)因其優(yōu)良的性能和多樣結(jié)構(gòu)，近年來在各個(gè)行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用，從普通的控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服驅(qū)動(dòng)，從日常的生活到國防等各種高精尖的科技領(lǐng)域。但是由于多變量、強(qiáng)耦合、非線性等特性，使得控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等不足，因此選擇合適的控制系統(tǒng)才能發(fā)揮好永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。矢量控制方式(svpwm)的提出使得永磁同步電機(jī)調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生了一次質(zhì)的飛越，但是svpwm算法的實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行速度反饋和位置角計(jì)算，傳統(tǒng)的單片機(jī)(mcu)很難滿足，因此一般要求采用基于數(shù)字信號處理器(dsp)技術(shù)以軟件的方式實(shí)現(xiàn)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活、實(shí)現(xiàn)簡單。但是對于多電機(jī)控制等場合，單片dsp已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求；另外，由于單片dsp計(jì)算速度慢、開發(fā)周期長等弱點(diǎn)，在一些高精度、高穩(wěn)定性的場合，不得不摒棄這種方式。本發(fā)明提出采用基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm實(shí)現(xiàn)方法能夠有效避免這些缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，基于現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)的硬件實(shí)現(xiàn)方法能在最短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己的專用集成電路，減小成本、縮短開發(fā)周期。因此本發(fā)明構(gòu)建了基于fpga的svpwm控制方法，實(shí)現(xiàn)了矢量變換算法、pwm調(diào)制模塊、電流及速度pi調(diào)節(jié)器等各種控制模塊，使得這些模塊和ip(intellectualproperty)核復(fù)用率高，算法并行執(zhí)行、節(jié)省計(jì)算時(shí)間，以硬件電路的方式實(shí)現(xiàn)軟件算法，同時(shí)由于具有良好的可重復(fù)編程的特性，可以很方便的對算法進(jìn)行修改或升級，從而縮短控制器設(shè)計(jì)周期并大大節(jié)約產(chǎn)品升級換代的成本。另外，本發(fā)明中控制算法并行執(zhí)行，可進(jìn)行多通道控制擴(kuò)展，提升控制精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，本方法應(yīng)用于中等功率永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括svpwm控制中的矢量變換模塊、svpwm調(diào)制模塊、pi控制器模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ檢測和cordic算法模塊及電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算等控制模塊，所述方法采取以下步驟：

1)利用硬件加法和移位處理，設(shè)計(jì)二進(jìn)制有符號數(shù)乘法器和二進(jìn)制無符號數(shù)除法器，在坐標(biāo)變換模塊和pi控制器模塊中進(jìn)行復(fù)用；

2)為pi控制器模塊預(yù)先設(shè)置兩個(gè)輸入變量，同時(shí)通過預(yù)留kp、ki參數(shù)注入接口，使得kp、ki參數(shù)通過串口進(jìn)行加載；

3)根據(jù)離散域pi控制器的公式(1)，將pi控制器模塊兩個(gè)輸入量做差得到誤差；將誤差通過有符號乘法器乘以kp參數(shù)，得到誤差的比例放大結(jié)果，其中kp為比例環(huán)節(jié)參數(shù)；

4)根據(jù)公式(1)，將誤差通過有符號乘法器乘以ki參數(shù)，得到誤差的積分放大結(jié)果，其中ki為積分環(huán)節(jié)參數(shù)；

5)將步驟4)中得到的第k次誤差的積分放大結(jié)果和第k-1次計(jì)算得到的積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果相加，得到第k次積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果，將這一步結(jié)果進(jìn)行鎖存；

6)為步驟3)和步驟5)的計(jì)算結(jié)果設(shè)置上下限，形成ip核，將pi控制器模塊在轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)中進(jìn)行復(fù)用；

7)針對cordic算法原理計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ的正余弦結(jié)果，預(yù)先設(shè)定cordic算法模塊輸入矢量(xi，yi)，同時(shí)假設(shè)轉(zhuǎn)角θ為一系列基本角θi之和，其中i＝0,1,2…,n-1，并且tanθi＝±2ⁱ，則輸入矢量(xi，yi)按照θi的角度進(jìn)行一定次數(shù)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過累加轉(zhuǎn)角之和與目標(biāo)角的關(guān)系判定旋轉(zhuǎn)方向，若第0次至第i次旋轉(zhuǎn)角的累加之和不大于轉(zhuǎn)角θ，則第i+1次時(shí)輸入矢量(xi，yi)進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)得到矢量(xi+1，yi+1)；若若第0次至第i次旋轉(zhuǎn)角的累加之和小于等于轉(zhuǎn)角θ，則第i+1次時(shí)輸入矢量(xi，yi)進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)得到矢量(xi+1，yi+1)；當(dāng)?shù)?次至第n次旋轉(zhuǎn)角的累加之和與轉(zhuǎn)角θ無限逼近時(shí)，即矢量(xn，yn)得到逼近目標(biāo)轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)值；形成cordic算法模塊，在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)能夠?qū)λ鯿ordic算法模塊進(jìn)行調(diào)用；

8)調(diào)用有符號乘法器和無符號除法器，坐標(biāo)變換模塊的輸入變量為iv，iw，根據(jù)公式(2)計(jì)算得到輸出變量id，iq；

9)根據(jù)扇區(qū)判斷單元、有效矢量作用時(shí)間計(jì)算單元、逆變器開關(guān)時(shí)間計(jì)算單元，計(jì)算出pwm波的作用時(shí)間，通過pwm波生成單元加入死區(qū)時(shí)間，生成pwm波控制逆變器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。

一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，所述步驟3到步驟5中根據(jù)公式(3)，將pi控制器模塊兩個(gè)輸入量做差得到第k次誤差；將第k次誤差減去第k-1次誤差，得到相鄰兩次誤差的差值；將相鄰兩次誤差的差值通過有符號乘法器乘以kp參數(shù)，得到誤差的比例環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果，其中kp為比例環(huán)節(jié)參數(shù)；將第k次誤差通過有符號乘法器乘以ki參數(shù)，得到誤差的積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果，其中ki為積分環(huán)節(jié)參數(shù)；將比例環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果加上積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果得到第k次pi環(huán)節(jié)的增量；將第k-1次pi環(huán)節(jié)的計(jì)算結(jié)果加上第k次pi環(huán)節(jié)的增量得到第k次pi環(huán)節(jié)的計(jì)算結(jié)果。

一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，所述步驟7中可以根據(jù)查表法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ的正余弦值；將－π～+π范圍內(nèi)的角度的正弦值和余弦值預(yù)先存于rom表中；根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ在rom表查找對應(yīng)的正余弦值。

一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，所述步驟9中，根據(jù)扇區(qū)判斷單元、有效矢量作用時(shí)間計(jì)算單元、逆變器開關(guān)時(shí)間計(jì)算單元，計(jì)算出pwm波的作用時(shí)間，通過5段式pwm生成單元加入死區(qū)時(shí)間，生成pwm波控制逆變器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)；

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明所述的一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm實(shí)現(xiàn)方法，采用top-down設(shè)計(jì)思想和基于eda模塊化的設(shè)計(jì)方法，將復(fù)雜的矢量控制算法通過并行的硬件電路實(shí)現(xiàn)，得到的ip軟核下載到fpga芯片后相當(dāng)于硬件asic。本發(fā)明中采用cordic(coordinaterotationdigitalcomputer)算法，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算精度高、占用資源少、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。在多電機(jī)控制中，相較于單dsp控制方式下，電機(jī)控制順序執(zhí)行的缺陷，采用基于fpga的方式，可以使得多電機(jī)控制并行執(zhí)行，從而縮短控制周期，提升控制精度。

附圖說明

圖1為永磁同步電機(jī)svpwm控制框圖

圖2為7段式pwm波生成單元框圖

圖3為n與扇區(qū)號的對應(yīng)關(guān)系

圖4為扇區(qū)號、x、y、z與cmpx、cpmy的關(guān)系

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，本方法應(yīng)用于中等功率永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)包括svpwm控制中的矢量變換模塊、svpwm調(diào)制模塊、7段式pwm波生成單元，如圖2所示，pi控制器模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ檢測和cordic算法模塊及電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算等控制模塊，所述方法采取以下步驟：

1)由于fpga中無法表示小數(shù)，因此需要對fpga中的運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行整體移位處理。在fpga中設(shè)計(jì)30位寬的硬件乘法器，然后利用fpga中的硬件加法和移位處理，設(shè)計(jì)二進(jìn)制有符號數(shù)乘法器和二進(jìn)制無符號數(shù)除法器。例如，乘以3/2可以表示為乘以(1+1/2),乘以1等效于左移1位，乘以1/2等效于右移1位。通過硬件加法和移位處理完成乘法器模塊和除法模塊的設(shè)計(jì)。在坐標(biāo)變換模塊和pi控制器模塊中進(jìn)行復(fù)用；

2)為pi控制器模塊預(yù)先設(shè)置兩個(gè)輸入變量lre(k)，同時(shí)通過預(yù)留kp、ki參數(shù)注入接口，使得kp、ki參數(shù)通過串口進(jìn)行加載；

3)根據(jù)離散域pi控制器的公式(4)，將pi控制器模塊兩個(gè)輸入量做差得到誤差；將誤差通過有符號乘法器乘以kp參數(shù)，得到誤差的比例放大結(jié)果，其中kp為比例環(huán)節(jié)參數(shù)；

4)根據(jù)公式(1)，將誤差通過有符號乘法器乘以ki參數(shù)，得到誤差的積分放大結(jié)果，其中ki為積分環(huán)節(jié)參數(shù)；

5)將步驟4)中得到的第k次誤差的積分放大結(jié)果和第k-1次計(jì)算得到的積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果相加，得到第k次積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果，將這一步結(jié)果進(jìn)行鎖存；

6)為步驟3)和步驟5)的計(jì)算結(jié)果設(shè)置上下限，形成ip核，將pi控制器模塊在轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)中進(jìn)行復(fù)用；

7)針對cordic算法原理計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ的正余弦結(jié)果，預(yù)先設(shè)定cordic算法模塊輸入矢量(xi，yi)，同時(shí)假設(shè)轉(zhuǎn)角θ為一系列基本角θi之和，其中i＝0,1,2…,n-1，并且tanθi＝±2ⁱ，則輸入矢量(xi，yi)按照θi的角度進(jìn)行一定次數(shù)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過累加轉(zhuǎn)角之和與目標(biāo)角的關(guān)系判定旋轉(zhuǎn)方向，若第0次至第i次旋轉(zhuǎn)角的累加之和不大于轉(zhuǎn)角θ，則第i+1次時(shí)輸入矢量(xi，yi)進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)得到矢量(xi+1，yi+1)；若若第0次至第i次旋轉(zhuǎn)角的累加之和小于等于轉(zhuǎn)角θ，則第i+1次時(shí)輸入矢量(xi，yi)進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)得到矢量(xi+1，yi+1)；當(dāng)?shù)?次至第n次旋轉(zhuǎn)角的累加之和與轉(zhuǎn)角θ無限逼近時(shí)，即矢量(xn，yn)得到逼近目標(biāo)轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)值；形成cordic算法模塊，在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)能夠?qū)λ鯿ordic算法模塊進(jìn)行調(diào)用；

8)調(diào)用有符號乘法器和無符號除法器，坐標(biāo)變換模塊的輸入變量為iv，iw，根據(jù)公式(5)計(jì)算得到輸出變量id，iq；

9)根據(jù)扇區(qū)判斷單元的兩個(gè)輸入變量計(jì)算扇區(qū)號。預(yù)設(shè)扇區(qū)判斷單元的兩個(gè)輸入變量為uα、uβ，同時(shí)三個(gè)內(nèi)部變量a、b、c。當(dāng)uβ＞0時(shí)，則變量a＝1，否則a＝0；當(dāng)時(shí)，則變量b＝1，否則b＝0；當(dāng)時(shí)，則變量c＝1，否則c＝0。同時(shí)計(jì)算n＝4c+2b+a計(jì)算的結(jié)果n。同時(shí)根據(jù)n和扇區(qū)號的對應(yīng)關(guān)系(如圖3所示)得到扇區(qū)號。

10)根據(jù)有效電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算單元，計(jì)算出基本電壓矢量作用時(shí)間。首先假定3個(gè)輸入量uα、uβ和udc，2個(gè)輸出量cmpx、cmpy。根據(jù)公式(6)，計(jì)算出3個(gè)內(nèi)部變量x、y、z的結(jié)果。其中tpwm為開關(guān)周期常量。同時(shí)根據(jù)圖4中扇區(qū)號、x、y、z與cmpx、cpmy的對應(yīng)關(guān)系得到cmpx、cmpy的結(jié)果。

11)逆變器開關(guān)時(shí)間計(jì)算單元，計(jì)算得到6路pwm的作用時(shí)間。首先假定2個(gè)輸入量cmpx、cpmy，3個(gè)輸出量cmpa、cmpb、cmpc以及3個(gè)中間變量cmpl、cmpm、cmph。根據(jù)公式(7)計(jì)算出cmpl、cmpm、cmph的結(jié)果。再根據(jù)圖2所示賦值表得到cmpa、cmpb、cmpc結(jié)果。

12)通過7段式pwm波生成單元(如圖2所示)加入死區(qū)時(shí)間，生成pwm波控制逆變器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。

根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟3到步驟5中根據(jù)公式(3)，將pi控制器模塊兩個(gè)輸入量做差得到第k次誤差；將第k次誤差減去第k-1次誤差，得到相鄰兩次誤差的差值；將相鄰兩次誤差的差值通過有符號乘法器乘以kp參數(shù)，得到誤差的比例環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果，其中kp為比例環(huán)節(jié)參數(shù)；將第k次誤差通過有符號乘法器乘以ki參數(shù)，得到誤差的積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果，其中ki為積分環(huán)節(jié)參數(shù)；將比例環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果加上積分環(huán)節(jié)計(jì)算結(jié)果得到第k次pi環(huán)節(jié)的增量；將第k-1次pi環(huán)節(jié)的計(jì)算結(jié)果加上第k次pi環(huán)節(jié)的增量得到第k次pi環(huán)節(jié)的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟7中可以根據(jù)查表法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ的正余弦值；將－π～+π范圍內(nèi)的角度的正弦值和余弦值預(yù)先存于rom表中；根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ在rom表查找對應(yīng)的正余弦值。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于fpga的永磁同步電機(jī)svpwm的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述步驟9中，根據(jù)扇區(qū)判斷單元、有效矢量作用時(shí)間計(jì)算單元、逆變器開關(guān)時(shí)間計(jì)算單元，計(jì)算出pwm波的作用時(shí)間，通過5段式pwm生成單元加入死區(qū)時(shí)間，生成pwm波控制逆變器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。

實(shí)施例一

假定步驟9)中輸入兩個(gè)輸入變量uα、uβ分別為0.3和0.2，根據(jù)步驟9)計(jì)算出n＝3，對應(yīng)的扇區(qū)號為i。步驟10)中輸入變量udc為1，開關(guān)周期常量tpwm為1，則計(jì)算得到x＝0.2828，y＝0.5089，z＝0.2260，則得到cmpx＝0.2260，cmpy＝0.2828。根據(jù)步驟11)計(jì)算得到cmpl＝0.1228，cpmm＝0.2358，cmpph＝0.4006，由此得到3路pwm信號作用時(shí)間為cpma＝0.0994，cmpb＝0.2592，cmpc＝0.4006，另外3路pwm信號的作用時(shí)間與這三路分別互補(bǔ)。

實(shí)施例二

假定步驟9)中輸入兩個(gè)輸入變量uα、uβ分別為0.4和0.3，根據(jù)步驟9)計(jì)算出n＝3，對應(yīng)的扇區(qū)號為i。步驟10)中輸入變量udc為1，開關(guān)周期常量tpwm為1，則計(jì)算得到x＝0.4242，y＝0.7018，z＝0.2278，則得到cmpx＝0.2278，cmpy＝0.4242。根據(jù)步驟11)計(jì)算得到cmpl＝0.0870，cpmm＝0.2009，cmpph＝0.4130，由此得到3路pwm信號作用時(shí)間為cpma＝0.0870，cmpb＝0.2009，cmpc＝0.4130，另外3路pwm信號的作用時(shí)間與這三路分別互補(bǔ)。

實(shí)施例三

假定步驟9)中輸入兩個(gè)輸入變量uα、uβ分別為0.2和0.5，根據(jù)步驟9)計(jì)算出n＝1，對應(yīng)的扇區(qū)號為ii。步驟10)中輸入變量udc為1，開關(guān)周期常量tpwm為1，則計(jì)算得到x＝0.7070，y＝0.5986，z＝-0.1086，則得到cmpx＝0.1686，cmpy＝0.5986。根據(jù)步驟11)計(jì)算得到cmpl＝0.0582，cpmm＝0.1425，cmpph＝0.4418，由此得到3路pwm信號作用時(shí)間為cpma＝0.1425，cmpb＝0.0582，cmpc＝0.4418，另外3路pwm信號的作用時(shí)間與這三路分別互補(bǔ)。