永磁同步电机最大转矩电流比控制的FPGA设计与实现

申彦垒 黎敦科 于雪锋

摘要：本文提出了一种永磁同步電机最大转矩电流比控制FPGA的设计，以提高电磁转矩的响应速度、稳态特性以及减小磁链脉动，具有良好的动态特性。在数据的处理方面采用自定义的方式对小数运算进行处理，极大的提高系统的精度，同时也兼顾了系统性能的优化和资源的分配。验证了控制策略具有良好的动态响应、稳态特性、转矩脉动小，在全速范围内对永磁同步电机参数的变化具有较强的鲁棒性，是一种高性能的交流调速方式。

关键词：最大转矩电流比；永磁同步电机：FPGA

1永磁同步电机最大转矩电流比控制原理

永磁同步电机最大转矩电流比控制原理结构图，如图1所示，整个系统主要包括：滑模速度控制器、最大转矩电流比控制、CLARK变换、PARK变换、PARK逆变换、Pl调节器、SVPWM的产生等诸多模块。通过一系列的变换以及算法的实现，利用电压矢量的线性组合，就获得一系列连续不同的电压空间矢量，输出六路PWM波形送到三相电压型逆变器，通过控制逆变器的通断，便实现了交流调速的目的[2]。

2永磁同步电机最大转矩电流比控制的FPGA设计

2.1滑模速度控制（HM）模块的设计

为了使永磁同步电机交流调速驱动器具有良好的负载转矩扰动、控制精度、参数摄动，滑模速度控制器通过使用切换控制算法在相平面中沿着预定轨迹强制驱动响应来稳定设定点[3.4]，原理图如图2所示。

2.2最大转矩电流比的设计

在忽略不计铁心的涡流损耗和磁滞损耗，不计磁路中铁心的磁通饱和，假设空载电势是正弦波等条件下建立数学模型[5.6]。

设y为电枢电流空间矢量与直轴位置的相位角，可以得到：

PARK变换及其逆变换都包含三角函数的运算、乘法、加法运算。对小数运算采用自定义的方式进行数据处理。

对于变换中的三角函数运算，采用了CORDIC算法来实现求解正弦函数和余弦函数。其流水线结构，每级迭代运算都有一套运算单元[6]。

PID控制策略就是对电流、电压、转速的相关模块进行有效的调节控制。为提高运算处理速度，采用并行计算方式，包括两个部分，布斯编码是将乘数进行重编码再与被乘相乘，产生部分积；另一部分是实现部分积相加，超前进位加法实现部分积的相加，为防止出现饱和的问题，采用过限消弱积分法[6]。其控制算法如下式表示：

2.4 SVPWM模块的设计

电压空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）是从电机的角度出发，把逆变器和电机视为整体，使电机获得幅值恒定的圆形磁场。通过连续不断改变逆变器的通与断模式，使电机的实际磁链逼近理想磁链圆，通过控制逆变器的通断，便实现了交流调速的目的[1，4]。

图3为SVPWM的结构图，首先判定由PARK逆变换得到矢量电压所处的扇区；然后确定每个扇区所在电压矢量的作用时间；再通过时间重构模块分配各个桥臂的作用时间，最后由得到的重构时间来控制PWM波形各相输出的占空比和波形[1]。

3永磁同步电机的最大转矩电流比控制FPGA实现仿真

本设计对数据的处理采用自定义的方式对小数运算进行处理，极大的提高系统的精度，同时也兼顾了系统性能的优化和资源的分配。通过VHDL对系统的设计进行描述，并对各个模块进行设计、优化、验证。

永磁同步电机最大转矩电流比控制的FPGA仿真时序，如图4所示，其中DEG是经过光电编码器的解码电路输出的PMSM的旋转角度；K1，K2，K3，K4为MTPA计算常数；N是}旨光电编码器的解码电路输出的PMSM的速度；N_REF为参考速度；la，b是相电流检测器检测到的PMSM的两相电流；相电流检测器检测到的相电流进行一系列的坐标变换，并通过PID控制器的调节作用来不断的改变输出的六路PWM波形，最终这六路PWM波通过三相电压型逆变器来调节PMSM的速度和位置。经过PID控制器的调节作用来实时的调节PMSM的速度。

4结论

为满足永磁同步电机驱动系统电磁转矩输出高、抗干扰能力强等特点；利用FPGA器件具有集成度高、设计周期短、对数据并行处理速度快、设计灵活等突出优点，提出了最大转矩电流比永磁同步电机矢量控制FPGA的设计与实现，提高了永磁同步电机单位电流的电磁转矩输出能力，具有很高的工程实用性；实验仿真表明，该控制在交流电机控制领域里，较好的稳态、动态特性，在调速过程中对电机参数的变化具有较强的鲁棒性，是一种高性能的交流调速方式。证明了所提算法的有效性和优越性。

参考文献

[1]周兆勇，李铁才，高桥敏男.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[J].中国电机工程学报，2004，24（5）：168 173

[2] Bhin Singh，B PSingh，Sanjeet Dwivedi.DSP Based Implementation of Sliding Mode SpeedControllerfor Direct Torque Controlled PMSM Drive[J]EE Trans on IndustnalElectronics 2009 1301-1308

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[4]全宁治，王旭东，李文娟.电动汽车PMSM MTPA控制系统滑模速度控制[J]电机与控制学报，2011 15（8）：52 57

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[6]谭会生，张昌凡.EDA技术及应用（第三版）[M].西安电子科技大学出版社